Концепции современного естествознания. Курс лекций. Учебное пособие

Установлен и факт эволюции Солнца и звезд. Сегодня наблюдают бурные процессы взрывов и эволюции в таких гигантских системах, какими являются галактики. Вещество, входящее в галактики, постепенно перерабатывается в ядерных процессах, идущих в звездах. Водород превращается в гелий, а затем и в более тяжелые химические элементы.

Началом современного этапа развития космологии являются работы советского ученого А.А. Фридмана, выполненные в 1922-1924 годах. На основе теории Эйнштейна он построил математические модели движения вещества во Вселенной под действием сил тяготения. Доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое – Вселенная не может быть стационарной: она должна либо расширяться, либо сжиматься. Как следствие – плотность вещества должна либо уменьшаться, либо увеличиваться.

А. Эйнштейн построил статическую модель Вселенной ценой введения в свою теорию наряду с силами всемирного тяготения гипотетических сил космического отталкивания. Познакомившись с работой А.А. Фридмана, он посчитал ее

Установление закона расширения Вселенной – лишь установление механики Вселенной. Последующее изучение – это рассмотрение физических процессов, протекающих в ней. Состояние вещества сейчас очень сильно отличается от состояния, возникшего спустя некоторое время после «большого взрыва». Вселенная прошла огромный путь от сверхплотного сверхгорячего состояния, с бурными реакциями между элементарными частицами, до современного состояния, когда вещество распалось на гигантские системы небесных тел, возникли звезды, планеты и жизнь.

Предсказание теорией нестационарности Вселенной

Важнейшим в мире небесных тел является закон всемирного тяготения. На основе теории тяготения Ньютоном

51

Знак минус означает, что ускорение соответствует притяжению, а не отталкиванию.

Вывод: любые две галактики, находящиеся в однородной Вселенной на расстоянии R, испытывают относительное ускорение. Это и означает, что Вселенная должна быть нестационарной. Галактики должны удаляться или сближаться, радиус R должен меняться со временем, плотность вещества должна также изменяться со временем.

Таким образом, Вселенная должна быть нестационарной, т. к. в ней действует тяготение.

Открытие расширения Вселенной

Для далеких объектов, коими являются звездные системы, можно измерять скорость удаления или приближения, пользуясь эффектом Доплера. Согласно этому эффекту у приближающегося источника света все длины волн, измеренные наблюдателем, уменьшены, смещены к фиолетовому концу спектра, а для удаляющегося источника – увеличены, смещены к красному концу спектра. Величина смещения z :

z = λнабл. − λизл = υс .

Формула справедлива, если объект движется со скоростью много меньше с. В случае υ ≈ c формула усложняется.

Измеряя смещения спектральных линий в спектрах небесных тел, астрономы определяют их приближение или удаление. Скорости, определяемые по спектральным измерениям,

носят название лучевых скоростей.

В начале века измерял лучевые скорости американский астрофизик Слайфер. Он обнаружил, что большинство галактик удаляется от нас и скорости удаления огромные: от 2-3 сотен до 1100 км/с. Линии в спектрах галактик были смещены к красному концу. Это явление получило название «красного смещения».

53

Расстояния до целого ряда галактик были определены американским астрономом Э. Хабблом. Сравнение расстояний до галактик со скоростями их удаления позволило Э. Хабблу установить в 1929 году закономерность:

находимся в центре Вселенной. Галактики удаляются не только от нашей галактики, но и друг от друга. Если бы мы находились в другой галактике, то видели бы точно такую же картину разбегания, как и из нашей звездной системы.

Расширение Вселенной меняется с течением времени. Выделим мысленно в однородном веществе Вселенной шар. Расширение управляется законом Всемирного тяготения. Ускорение (отрицательное, т. е. замедление), которое испытывают галактики на поверхности шара,

a = − GMR2 .

Выразим массу шара М через плотность вещества ρ и

тормозится, раньше этот коэффициент был больше.

54

Время, протекшее с начала расширения, определяется только постоянной Хаббла и равно

Возможные неопределенности в значении Н приводят к неопределенности времени t

10×109 лет < t < 20∙109 лет.

Торможение определяется конечной плотностью во Вселенной. Величина средней плотности материи во Вселенной определена не точно. Легко учесть вещество, входящее в галактики. Если известны скорости этих движений и размеры галактик, то масса вычисляется на основе ньютоновской механики и закона тяготения. Зная число галактик в единице объема и их массы, можно вычислить среднюю плотность материи во Вселенной, входящей в галактики. Плотность этого

вещества составляет примерно ρ » 3 ×10−31 г / см3 (в БСЭ

ρ = 6 ×10−30 г/см3 , Н=1,7 ×10−18 × с−1 ).

Но в пространстве между галактиками может быть вещество, которое очень трудно обнаружить, так как оно практически не излучает и не поглощает света. Это, например, ионизованный газ между галактиками, слабо светящиеся или потухшие звезды, нейтрино-частицы, которые очень слабо взаимодействуют с другим веществом и их трудно обнаружить. Возможно также наличие гравитационных волн, предсказанных теорией Эйнштейна. Между галактиками есть и другие виды

материй. Наиболее вероятные пределы – 5 ∙ 10-29 г/см3 ÷ 3 ∙ 10-31 г/см3.

Таким образом, 10 ÷ 20 миллиардов лет назад, вблизи момента начала расширения плотность вещества была значительно больше. (Возраст Земли, определяемый по радиоактивному распаду веществ, равен 5 ∙ 109 лет). Вся материя находилась в состоянии непрерывно распределенного

55

однородного вещества. Позже, в ходе расширения, оно распалось на отдельные комки, что привело к образованию небесных тел.

Критическая плотность. Модели открытой и замкнутой Вселенной

Расширение Вселенной протекает с замедлением. Если плотность достаточно велика, велико и замедление расширения. В результате расширение прекращается и сменяется сжатием. Аналогично тому, что ракета, разогнавшись до второй космической скорости, должна покинуть небесное тело.

При постоянной Хаббла Н=75 км/(с∙Mnc)

ρкрит. =10−29 г / см3 .

Взависимости от плотности вещества и соотношения с

ρкрит. возможны различные модели кривизны пространства,

вытекающие из теории относительности. Наличие кривизны пока нельзя считать доказанным, хотя оно является вероятным, если учитывать подтверждение других выводов релятивистской космологии. На основе имеющихся данных о средней плотности

безгранично) и замкнутой (расширение в дальнейшем должно смениться сжатием) моделями.

1. Если кривизна пространства Вселенной отрицательна ( ρ p ρкрит. ) или равна 0, то пространство бесконечно простирается

во все стороны, содержит бесконечное количество небесных тел, элементарных частиц и галактик. Такой мир называется

трехмерное пространство оказывается замкнутым и конечным, но столь же неограниченным, т. к. двигаясь по нему, нельзя достичь какой-либо границы. Вселенная расширяется, затем расширение останавливается и сменяется сжатием. Такая модель называется

замкнутой.

Эволюция Вселенной. Физические процессы

«Холодный» и «горячий» варианты развития Вселенной. При отсутствии конкретной теории сверхплотного состояния (30-е годы) все вещество Вселенной предполагалось в виде холодных нейтронов.

В ходе расширения

n → p + e− + γ~ .

Протон будет соединяться с нейтроном, давая дейтрон D. Реакции усложнения атомных ядер будут продолжаться до

тех пор, пока не образуется α - частица – ядро атома гелия. Таким образом, все вещество превратится в гелий. Этот вывод противоречит наблюдениям. Известно, что молодые звезды и межзвездный газ состоит в основном из водорода, а не из гелия. Наблюдения отвергают холодную (энтропия S=0) нейтронную гипотезу первичного вещества.

«Горячий» вариант начальной стадии расширения Вселенной был предложен в работах американского физика А.

57

Гамова. Предполагалось, что на начальной стадии температура была высока и энтропия велика: S >> 1.

Начальная температура внутри сингулярности (состояние огромной плотности всего вещества) превышала 1013 градусов по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы отсчета

гравитации). Это значение более чем на 120 порядков больше сегодняшней средней плотности во Вселенной и почти на 80 порядков больше плотности атомного ядра.

При сверхвысокой плотности все процессы превращения частиц идут весьма быстро, гораздо быстрее, чем меняется плотность вещества в ходе расширения. Все реакции, какие могут протекать, успевают протечь, пока условия существенно не изменились, и вещество будет находиться в состоянии термодинамического равновесия.

Нужна совершенно новая физическая теория (синтез существующей теории тяготения и квантовой теории). Условия определяются такими величинами, как плотность, температура. Есть еще два параметра – энтропия и лептонный заряд. Первое число характеризует степень нагретости вещества. Чем больше нагрето вещество, тем больше в нем фотонов. Число квантов, приходящихся на одну тяжелую частицу – барион, характеризует степень нагретости – энтропию (удельную энтропию). Во Вселенной лептонный заряд характеризуется разностью числа нейтрино и антинейтрино, приходящихся на один барион, плюс разность числа электронов и позитронов, приходящихся на один барион. Оба числа во Вселенной, будучи заданными в один момент, остаются почти постоянными, не меняются с расширением. Чтобы рассчитать процессы (ядерные реакции) в начале расширения, для модели Фридмана надо задать два числа: энтропию S и лептонный заряд L. Подтверждением теории является то, что рассматривая ядерные реакции в начале космологического расширения, можно получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и изотопов.

58

В состоянии высокой плотности неизбежно должен был

степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, что через 0,01 с после взрыва плотность материи должна была упасть до 1010 г/см3. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов. При этом могли происходить непрерывные превращения пар электрон + позитрон в фотоны и обратно. Но

вещества в результате ядерных реакций. В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения. Оно было обнаружено случайно в 1965 году сотрудниками американской компании «Bell» в диапазоне ~ 1 см. Реликтовое излучение является подтверждением горячей Вселенной.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших ранее симметрий и возникновения на этой основе новых структур. Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением

неравновесность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы, со временем не ликвидируется, а усиливается. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрий и к возникновению новой структуры.

Нарушение симметрии между веществом и антивеществом, возникновение, в частности, пар разноименно заряженных частиц, таких, как электрон и позитрон – один из первых

59

результатов расширения и охлаждения Вселенной. Столкновение

Вещество каким-то образом оказалось отделенным от антивещества, иначе вследствие аннигиляции не произошло бы образование мира. Когда температура Вселенной после взрыва упала до 6 млрд градусов по Кельвину, первые 8 с после взрыва там существовала смесь электронов и позитронов. На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот. Между веществом и излучением сохранилась симметрия. Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и понижения ее температуры.

На этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы – протоны и нейтроны. Возник крайне незначительный перевес вещества над излучением (примерно излишек одного протона или нейтрона на миллиард фотонов). Из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло разнообразие материальных образований, явлений и форм.

Физический вакуум

В действительности можно рассматривать материю не в двух проявлениях – веществе и поле, а в трех. Третьим является физический вакуум. Физический вакуум является прародителем всех частиц вещества и квантов полей вследствие спонтанного нарушения симметрии. Общепринятое представление о вакууме как о состоянии, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно 0, отвергается. Признается возможность существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей. Возникает представление о существовании вакуумных конденсатов – состояний с отличным от нуля вакуумным средним. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости.

60