Что такое нестационарность вселенной это

7.1. Наблюдательные факты, свидетельствующие о нестационарности Вселенной

Исследование любых, даже самых отдаленных объектов еще не достаточно для выяснения свойств Вселенной как целого. В то же время Вселенная является также предметом изучения астрономии. К тому же эволюционный подход к изучению мира – важнейшая особенность современной астрономии. Происхождение и эволюцию нашего мира изучает ее особый раздел – космология. Космология изучает физическую природу, строение и эволюцию Вселенной как целого. В частности, она рассматривает наиболее общие свойства всей области пространства, доступной прямым наблюдениям (а это несколько тысяч мегапарсеков), которую иногда называют Метагалактикой. Основная проблема космологии заключается в том, что вся безграничная Вселенная не может быть охвачена наблюдениями. Поэтому то, что известно о Метагалактике, приходится экстраполировать на всю Вселенную. Известные в настоящее время наблюдательные данные свидетельствуют о том, что Вселенная однородна и изотропна, находится в стадии расширения, а прошлом была значительно горячее, чем в современную эпоху. Одна из основных идей космологии – это идея об одинаковой средней плотности вещества для достаточно больших объемов пространства во Вселенной. Размеры областей, в пределах которых среднюю плотность вещества можно считать практически одинаковой, составляют около ста мегапарсеков, что гораздо меньше размеров Метагалактики. Однако они велики по сравнению с масштабами локальных неоднородностей, связанных с существованием звезд, галактик и скоплений галактик. В пользу такой равномерности распределения вещества во Вселенной говорит тот факт, что во всех направлениях в среднем галактики распределены равномерно. Независимость средней плотности вещества от величины области усреднения (на очень больших масштабах) в космологии рассматривается как следствие более общих свойств Вселенной – однородности и изотропии. Однородность означает одинаковость плотности материи в пространстве при усреднении в достаточно больших объемах, т. е. отсутствие выделенных областей пространства, а изотропия – отсутствие во Вселенной выделенных направлений. Предположение об однородности и изотропии Вселенной называется космологическим принципом. Ранние представления о Вселенной наряду с ее однородностью включали также принцип неизменности или статичности нашего мира. Однако первые же попытки экстраполировать эти свойства на бесконечное евклидово пространство привели к фотометрическому и гравитационному парадоксам.

Жан де Шезо (1718 – 1751)

Генрих Ольберс (1758 – 1840)

Фотометрический парадокс был сформулирован в 1744 году Жаном де Шезо (Швейцария), а затем в 1826 году Генрихом Ольберсом (Германия). Суть его заключается в том, что если пространство бесконечно и при этом равномерно заполнено звёздами, то в любом направлении луч зрения рано или поздно пересечёт какую-либо звезду. Поскольку яркость объекта не зависит от расстояния до него, нам должно казаться, что все небо ночью равномерно светится, как диск Солнца. Действительно, телесный угол, под которым видны диски звёзд, находящихся на расстояниях между r и r + dr, равен объему шарового слоя 4πr 2 dr, умноженному на число звёзд в единице объема N и на телесный угол, под которым видна каждая из звёзд (предполагается, что все они одинаковы; отказ от этого предположения не меняет конечного заключения), π(r₀/r) 2 , где r₀ – радиус звезды. Итак, звёзды из шарового слоя (r, r + dr) занимают на небе телесный угол 4π 2 r₀ 2 Ndr. При интегрировании по r (полагая, что Вселенная бесконечна) получается бесконечный телесный угол, так что диски звёзд должны перекрываться, полностью покрывая собой небо. Учёт межзвездного поглощения света не устраняет этого парадокса, т.к. поглощенное излучение рано или поздно переизлучается. Таким образом, если бы Вселенная была стационарной и бесконечной, то в любой её точке была бы бесконечная освещённость. Тогда, в частности, день бы не отличался от ночи. Из того факта, что по ночам темно, можно сделать весьма важное заключение о строении Вселенной, а именно, что сделанные выше предположения о стационарности, равномерности и бесконечности видимой части Вселенной не выполняются. Разрешение фотометрического парадокса заключается в конечности возраста Вселенной. Поскольку, в соответствии с современными представлениями, более 13 млрд. лет назад во Вселенной не было источников излучения, то самые далёкие звёзды, излучение которых сейчас можно наблюдать, расположены на расстояниях не более 13 млрд. св. лет. Этот факт устраняет основное предположение фотометрического парадокса: расположение звёзд на любых, сколь угодно больших расстояниях от наблюдателя. Т.о., видимая часть Вселенной оказывается конечной. Дополнительный (существенно меньший) вклад в уменьшение яркости неба вносит космологическое красное смещение удалённых галактик.

Xуго фон Зелигер (1849 – 1924)

Гравитационный парадокс сформулирован в 1895 году немецким астрономом Xуго фон Зелигером. Он заключается в том, что в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, пользуясь законом Ньютона, нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в заданной точке. Если ее вычислять, суммируя силы, действующие на пробную массу в этой точке, которые создаются концентрическими слоями с центром в этой же точке, то, очевидно, получится нуль. Если же подсчет вести для концентрических слоев с центром в некоторой другой точке, удаленной на расстояние r от данной, то очевидно, что сила тяготения окажется равной силе, с которой шар радиусом r притягивает точку, расположенную на его поверхности. Из-за наличия сил тяготения однородная и изотропная Вселенная не может находиться в стационарном состоянии, а это означает, что такая Вселенная должна или сжиматься или расширяться. Рассмотрим однородный шар массы M = Vρ = (4/3)πr 3 ρ. Под действием силы гравитации такой шар будет сжиматься к центру с ускорением:

Таким образом, даже если бы в начальный момент времени некоторая галактика А была неподвижной, то она стала бы двигаться внутрь шара. То же самое касается и других галактик. Поскольку Вселенная однородна и изотропна, такова же будет судьба любого мысленно выделенного объёма, независимо от его размера и местоположения. Из-за наличия сил тяготения Вселенная, не обладающая ни центром, ни осью вращения (т.е. однородная и изотропная) не может вечно находиться в одном и том же состоянии, она неизбежно должна эволюционировать. При разных начальных условиях эта эволюция может быть разной: Вселенная будет либо расширяться (возможно, с замедлением или ускорением), либо сжиматься (возможно, с ускорением или замедлением). В настоящее время Вселенная (пространство Вселенной) расширяется. Нестационарность Вселенной в принципе могла быть предсказана ещё во времена Ньютона, сразу после открытия закона всемирного тяготения. Однако этому помешали предубежденность в вечности и неизменности Вселенной.

7.1.2. Космологический принцип

Современные космологические модели основаны на принципах общей теории относительности (ОТО), дополненных т.н. космологическим принципом, который для расширяющейся Вселенной гласит:

Замкнутая двумерная поверхность

Вселенная однородна и изотропна в каждый момент времени, прошедший после Большого Взрыва. В силу космологического принципа каждая точка пространства Вселенной удаляется от всех остальных её точек. Таким образом, все точки пространства Вселенной равноправны, наша Галактика не является избранной, центральной во Вселенной, точно так же, как не являются избранными другие галактики. Некоторым аналогом рассматриваемого процесса расширения пространства Вселенной служит растяжение поверхности воздушного шарика (замкнутой двумерной поверхности) при его надувании. Очевидно, что каждая точка, находящаяся на поверхности шарика, при его надувании будет удаляться от всех остальных точек поверхности.

7.1.3. Красное смещение и закон Хаббла

Нестационарность Вселенной отражается, в частности, в наблюдении красного смещения в спектрах удалённых объектов – галактик и квазаров. Красное смещение – это сдвиг спектральных линий излучения атомов и ионов в красную (длинноволновую) область. Величина красного смещения определяется следующим образом:

где λ_o – наблюдаемая (observed) длина волны, λ_е – длина испущенной (emitted) источником волны.

Весто Слайфер (1875 – 1969)

Эдвин Хаббл (1889 – 1953)

Природа красного смещения может быть различной: выделяют доплеровское (см. раздел 3.16.3), гравитационное и космологическое красное смещение (см. далее разделы 7.2.3 и 7.2.4). В 1914 году американский астроном Весто Слайфер на основе измерения красного смещения в спектрах испускания светящихся объектов небесной сферы установил, что многие из них (галактики) имеют значительные (около 1000 км/с) собственные скорости относительно Земли, причём все галактики, за исключением трёх, удаляются от Солнечной системы. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл по величинам красного смещения установил закон всеобщего разбегания галактик, согласно которому красное смещение удалённых объектов пропорционально их расстоянию от наблюдателя. Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от наблюдателя галактика, тем быстрее она удаляется:

Диаграмма Хаббла из его оригинальной статьи

Современная диаграмма Хаббла (красным квадратом выделен участок, соответствующий данным Хаббла 1929 года)

где Н₀ – постоянная (точнее параметр) Хаббла в современную эпоху. Закон Хаббла не выполняется для гравитационно связанных объектов – ближайших галактик. Так, например, у галактики Андромеды, удалённой на расстояние 2,54 млн. св. лет от Земли, z = –0,001 («синее смещение»), т.е. эта галактика приближается к нашей. Напротив, у галактики Сомбреро, находящейся на расстоянии 28 млн. св. лет от Земли, z = +0,004, т.е. скорость «убегания» около 1200 км/с.

Красные смещения гравитационно связанных галактик, входящих в Virgo Cluster, демонстрируют отклонения от закона Хаббла

7.1.4. Распределение лёгких элементов (водорода и гелия) во Вселенной

Предположение о том, что в прошлом Вселенная находилась в более горячем, нежели в современную эпоху, состоянии, основывается в основном на следующих наблюдательных фактах: характере распределения лёгких химических элементов (водорода и гелия) во Вселенной и форме спектра космического фонового микроволнового (реликтового) излучения. Существование почти всех химических элементов во Вселенной объясняется термоядерными реакциями в недрах звёзд и во время вспышек сверхновых. Не находит объяснения только распространённость гелия, поскольку на долю этого химического элемента приходится примерно 25% плотности обычного вещества Вселенной, или 1/10 от числа атомов водорода. Можно оценить количество гелия, которое могло быть синтезировано в недрах звёзд за всё время эволюции нашей Галактики. Светимость Млечного Пути составляет примерно 10 37 Дж/c, и если она была постоянной за время жизни Галактики (порядка 10 млрд. лет), то за всё это время выделилось бы 3 × 10 54 Дж энергии. Если вся энергия выделяется в результате превращения водорода в гелий (самое благоприятное предположение), то, с учётом того, что при образовании одного ядра гелия выделяется около 2,5 × 10 –12 Дж, могло бы образоваться только 10 40 кг гелия, что составляет примерно 1/40 долю массы Галактики, или 1/160 по числу атомов. Таким образом, очевидно, что синтез гелия должен был произойти ранее. Для этого необходима высокая (но не выше 10 9 –10 10 К) температура.

Арно Пензиас (р. 1933)

Роберт Вильсон (р. 1936)

7.1.5. Реликтовое излучение

В 1964 году американские инженеры Арно Пензиас и Роберт Вильсон (Нобелевская премия по физике 1978 года) открыли, что пространство Вселенной заполнено электромагнитным излучением микроволнового диапазона (примерно 400 фотонов на каждый 1 см 3 Вселенной). Позже было установлено, что это излучение имеет сплошной спектр с максимумом на длине волны 1,06 мм. При этом форма спектра в точности (отличие измеренных значений от теоретически предсказанных составляет 1/400) соответствует планковской кривой, отвечающей излучающей способности абсолютно чёрного тела, нагретого до температуры 2,72548 ± 0,00057 К (Джон Мазер и Джордж Смут, Нобелевская премия по физике 2006 года).

Спектр реликтового излучения по данным спутника COBE

Источник

Как устроена Вселенная. Часть I.

Невозможно представить, насколько ниже в
своем развитии оказалось бы человечество,
если бы оно никогда не видело звездного неба.
Анри Пуанкаре.

Нестационарная Вселенная Фридмана.

Идея о том, что рождение Вселенной началось с взрыва, была высказана российским ученым Александром Фридманом. В 1922 году журнал «Zeitschrift fur Physik» опубликовал статью «О кривизне пространства», автором которой оказался петербургский математик Фридман- имя это мало что говорило физикам-теоретикам Запада.

Хотя Александр Александрович Фридман к началу 20-х годов вовсе не был безвестным начинающим ученым. Просто он ранее никогда не занимался теоретической физикой, поскольку являлся крупным специалистом по теоретической метеорологии, динамике атмосферы и весьма известным математиком.

Он отличался невероятной дотошностью, умением глубоко проникать в суть изучаемого предмета, влезать в его тонкости. Не случайно, когда Фридман заинтересовался теорией относительности, его друзья заявили: «Теперь мы будем, наконец, знать теорию относительности».

Несмотря на неизвестность автора в кругу физиков-теоретиков, статья сразу же обратила на себя внимание. И не удивительно. В скромном по объему сообщении утверждалось, что кривизна нашего пространства должна изменяться, и стационарная Вселенная, которую отстаивал Эйнштейн, невозможна

Давайте вспомним. Вселенная Ньютона была бесконечной и населенной бесконечным количеством звезд. Такой подход Ньютона понятен; если бы число звезд было конечным, то, по расчетам, сила взаимного притяжения стянула бы их воедино в гигантский звездный клубок.

В модели Вселенной Ньютона есть два парадокса, необъяснимых с точки зрения его теории. Судите сами: если число звезд бесконечно, то они должны создавать яркую и равномерную освещенность неба. А этого на самом деле нет.

Кроме того, в бесконечной Вселенной само тяготение должно возрастать бесконечно, и это должно вызвать огромные скорости движения звезд. А на опыте ничего подобного не наблюдалось.

Ньютон обнаружил эти несоответствия в своей модели, но решил эту проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и исправляет эти несообразности [1].

Пытаясь понять, что представляет собой Вселенная, Эйнштейн столкнулся с теми же трудностями, которые рождает бесконечность. В своей работе «Вопросы космологии и общая теория относительности» он пишет: «Мне не удалось установить граничные условия для пространственной бесконечности… Если бы можно было рассматривать мир в его пространственной протяженности как замкнутый, то подобного рода граничные условия были бы вообще не нужны» [2].

Натолкнувшись на идею конечной Вселенной, Эйнштейн все свои силы сосредоточил на поиски доказательств правильности – или хотя бы возможности — ее существования.

Чтобы избавиться от пороков бесконечности, Эйнштейн заменил бесконечную «плоскую» ньютонову Вселенную конечной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как обязательно искривлена любая замкнутая поверхность.

Далее Эйнштейн предположил, что средняя плотность материи во Вселенной постоянна и настолько велика, что обеспечивает положительную кривизну. Надо сказать, что только при положительной кривизне пространство замкнуто и конечно.

Исходя из факта малых звездных скоростей, Эйнштейн предположил, что Вселенная должна быть стационарной, что ее структура и кривизна не должны меняться со временем.

Однако из его теории вытекала новая проблема: под действием гравитационных сил замкнутая Вселенная должна сжиматься. Получалось, что, избавляясь от неприятностей, связанных с бесконечностью Вселенной, Эйнштейн наткнулся на неприятности, вызванные именно конечностью, замкнутостью нашего мира.

Чтобы выйти из трудного положения, и сохранить стационарность Вселенной, Эйнштейн был вынужден ввести в свои уравнения поля тяготения так называемый космологический член. Иными словами, он ввел новую «антигравитационную силу», которая удерживает звезды на расстоянии друг от друга и препятствует стягиванию Вселенной. Поддерживает стационарность Вселенной.

«Не от хорошей жизни» ввел он эту постоянную. «Для того, чтобы придти к этому свободному от противоречий представлению, мы должны были все же ввести новое расширение уравнений поля тяготения, не оправдываемое нашими действительными знаниями о тяготении» [2].

Ему была необходимо стационарность Вселенной. Поэтому он утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической.

Вселенная.

С большим трудом, преодолевая огромные препятствия, Эйнштейн, наконец, построил модель мира, которая достаточно хорошо отражала мир реальный. Во всяком случае, в известных тогда науке границах.

И вот теперь какой-то Фридман заявляет, что Вселенная нестационарна.

А что, собственно, сделал Фридман?

Оказывается, он нашел общее решение системы уравнений тяготения, и пришел к выводу: Вселенная нестационарна, ее кривизна меняется. Решение Эйнштейна является лишь частным случаем.
Решение Фридмана открывало две возможности: монотонное в одном направлении, например, непрерывное расширения, или периодическое возрастание и уменьшение кривизны. Во втором случае Вселенная, словно сердце, должна была то расширяться, то сжиматься.

Прочитав статью Фридмана, Эйнштейн тот час же отреагировал на нее, написав ответ под названием «Замечания к работе А. Фридмана». Он писал: «Результаты относительно нестационарного мира , содержащиеся в упомянутой работе, представляются мне подозрительными».

Фридман устоял перед силой авторитета. Он заново произвел все вычисления, причем решил систему уравнений без всяких упрощений и дополнительных космологических членов, и попросил своего товарища, физика Краткова, ехавшего в Берлин, передать их Эйнштейну.

Спустя несколько месяцев в том же журнале появилась еще одна маленькая заметка. Вот она целиком. «К работе А. Фридмана “О кривизне пространства”. В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако, моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне господином Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты г. Фридмана правильными, и проливающими новый свет. Оказывается , что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (т.е. переменные относительно времени) центрально-симметричные решения для структуры пространства» [3].

Эйнштейн не был бы Эйнштейном, не появись этого публичного признания своей неправоты.

Но вернемся к нестационарной Вселенной Фридмана. В своих исследованиях Фридман сделал исходное предположение: Вселенная одинакова во всех направлениях и остается таковой, откуда бы мы ее ни рассматривали. Долгое время считалось, что предположение об одинаковости Вселенной является грубым приближением к реальной Вселенной. В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, и если его все больше надувать, расстояние между точками увеличивается. При этом ни одну из точек нельзя назвать центром расширения.

Словом, Фридман в 1922 году доказал, что Вселенная не должна быть статической. Это произошло за несколько лет до открытия Хаббла.

В 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не является единственной. Существует много галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Если бы наблюдатель увидел нашу Галактику извне, то он обнаружил бы, что она имеет вид спирали и медленно вращается. Звезды в ее спиральных рукавах делают примерно один оборот вокруг ее центра каждые несколько сотен миллионов лет. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов.

Продолжив свои исследования, в 1929 году Хаббл, фотографируя спектры далеких галактик, получил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Это открытие Хаббла явилось триумфом Фридмана, до которого Фридман не дожил, скончавшись от холеры в 1925 году в возрасте 36 лет.

Сегодня известно, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. Все галактики удаляются от нас, причем, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется.

Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальные переворотов двадцатого века.

Лауреат Нобелевской премии физик-теоретик Стивен Хокинг пишет: «Имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять миллионов лет, ибо, по крайней мере, столько времени она уже расширяется. Но это не должно нас тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы, человечества давно уже не будет — оно угаснет вместе с Солнцем» [4].

В соответствии с теорией Фридмана, которая дает удивительно точное описание нашей Вселенной, пространство-время, наполненное чрезвычайно плотной материей, появилось в результате чудовищного взрыва из точки и начало неудержимо расширяться.

1. Тихоплав В.Ю., Тихоплав Т.С. «Научно-эзотерические основы Мироздания». лекция № 11
2.Эйнштейн А. Сборник научных трудов. Т.I-IV.: Наука, 1966.
3. Ливанова А.Три судьбы постижения мира М.: Знание, 1969.
4.Хокинг С. Краткая история времени. СПб.: Амфора, 2005.

Источник

➤