7. Расширяющаяся Вселенная

В 1929 году Эдвин Хаббл впервые экспериментально обнаружил эффект «разбегания» галактик. Позднее появился физический закон, названный законом Хаббла. Согласно этому закону, красное смещение удаленных объектов (звезд, галактик) пропорционально их расстоянию от наблюдателя. Красное смещение отвечает за скорость объекта относительно наблюдателя и, таким образом, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется.

Разумеется, галактики удаляются не только от Земли, но и друг от друга. Наглядно представить себе такое расширение вселенной довольно легко. Представим себе небольшой воздушный шарик, на котором мы нарисуем различные космические объекты. Когда мы начнем надувать этот шарик, то расстояние между всему нарисованными объектами будет увеличиваться. Причем, чем больше будет расстояние между рисунками, там быстрее оно будет увеличиваться. Таким образом, мы получаем картину расширения вселенной под действием закона Хаббла.

Математически закон Хаббла выражается очень просто:

. (12)

Где V - скорость разбегания галактик, r - расстояние до галактики, H - постоянная Хаббла. Наиболее надёжная оценка H составляет (70,1±1,3) (км/с)/Мпк.

Закон Хаббла сразу вызвал ряд физических предположений. Если сейчас вселенная расширяется, значит можно предположить, что когда-то давно она было очень маленькой. Возможны размеры вселенной были меньше атомного ядра. По непонятной причине произошел Большой Взрыв, в следствии которого вся материя приобрела скорость и стала разлетаться, образуя то, что мы сейчас называем наша вселенная.

Пока не будем останавливаться на большом взрыве, а займемся вопросом собственно расширения вселенной. На сегодняшний день весь процесс расширения вселенной от большого взрыва до настоящего времен описан уравнениями Фридмана. Александр Фридман первый сформулировал и решил нестационарные уравнения теории гравитации Эйнштейна в 1922 году.

В связи с развитием экспериментальной техники уравнения Фридмана представляют особый интерес. Дело в том, что уравнения этой модели содержат в себе несколько параметров, значение которых как раз определяются в эксперименте. От этих самых параметров зависит, во-первых, как выглядит наша вселенная, а во-вторых, как она расширяется.

Поговорим в начале о том, какой вид имеет наша вселенная. Согласно современным представлениям наша вселенная есть 4 мерное риманово многообразие. Основной вопрос заключается в том, какую форму имеет это многообразие. В уравнения Фридмана входит такой параметр как критическая плотность вещества во вселенной.

Если плотность вещества во вселенной больше критической, то вселенная открытая, если меньше, то замкнутая или закрытая, а если в точности равна, то пространственно плоское. Согласно современным данным, плотность вещества во вселенной приблизительно равна критической плотности. Из-за слишком большой ошибки сказать что-то, определенное по этому поводу не удается.

Выводы

Физика Элементарных Частиц - или, как ее сейчас чаще называют, Физика Высоких Энергий - одна из областей, составляющих сейчас передний край фундаментальной науки. Часть 20-го века принадлежала, по существу, эксперименту, который привел к созданию того, что сейчас называется физикой элементарных частиц. В это время было открыто большое количество частиц. Были экспериментально обнаружены сильные и слабые взаимодействия, и лишь позже была понята их роль в микромире. К 70-м годам прошлого века, картина прояснилась настолько, что стала видна единая природа слабых и электромагнитных взаимодействий. Теория, осуществившая их синтез, - теория электрослабых взаимодействий - явилась фундаментом современной Стандартной Модели Физики Элементарных Частиц. Сильные взаимодействия также поддались описанию с помощью обобщения методов квантовой электродинамики - так родилась квантовая хромодинамика, теория, описывающая "цветовое" взаимодействие кварков и глюонов. С появлением космологии Большого Взрыва во второй половине 20-го века стало ясно, что Физика Элементарных частиц и космология тесно переплетены друг с другом. Их совместное развитие является иллюстрацией того, как тесно связаны физические явления, разворачивающиеся на самых больших расстояниях во Вселенной, с явлениями, происходящими на микроскопически малых расстояниях. Ключевое слово в Физике Элементарных частиц - это энергия. Типичные экспериментально достижимые энергии сталкивающихся частиц менялись в течение века от нескольких электронвольт (эВ) в первых вакуумных камерах до триллиона эВ (ТэВ) в коллайдере ТэВатрон. Принципиально иным направлением экспериментальной Физики Элементарных частиц является неускорительная физика. Идея заключается в том, что в природе и так существуют потоки частиц высокой энергии (иногда даже выше, чем энергии, достижимые на ускорителях), поэтому наша задача - это всего лишь научиться их регистрировать. Два основных класса таких частиц - это заряженные космические лучи внесолнечного происхождения и потоки нейтрино, преимущественно солнечные и атмосферные.