lec02 (1113300), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Таким образом было открыто расширение Вселенной.Сам Хаббл не смог сразу осознать, что он "сокрушил" неизменную Вселенную.Еще в 1934 г. он пытался постулировать неизвестный пока физический процесс,объясняющий кажущееся разбегание галактик. Первым осознал результаты Хаббла какдоказательство существования начала аббат Жорж Леметр (1894-1966) в 1927 г.,получивший из космологических уравнений Эйнштейна формулу для скоростирасширения Вселенной.
[11]Однако теоретически расширение Вселенной предсказал в 1922 г Ал-др Алдрович Фридман (1888-1925) на основании общей теории относительности. СамЭйнштейн вначале опровергал результаты Фридмана как "чисто спекулятивные" ипризнал их лишь в 30-е годы. Открытие Хаббла подтвердило модель Фридмана. ТеорияФридмана позволила построить три модели:1) Большой взрыв ⇒ Большой хлопок (расширение – сжатие);2) Большой взрыв ⇒ расширение с убывающей до постоянной скоростью;3) Большой взрыв ⇒ расширение с постоянно уменьшающейся скоростью.Для точного выбора модели надо очень точно знать нынешнюю скорость расширения исреднюю плотность Вселенной.
Неопределенность в измерении расстояний исоответственно, скорости расширения – около 5%; средняя плотность определенагораздо менее точно (нет гарантии, что известны все формы материи, которым можноприписать массу). Определенная на сегодняшний день средняя плотность наблюдаемойВселенной примерно в 100 раз меньше, чем требуется для пульсирующей модели (1).Альтернатива отсутствию массы для возможного последующего сжатия Вселенной –нарушение закона всемирного тяготения на больших расстояниях.
Но гораздо легчепсихологически допускать не найденную пока массу, чем нарушение столь очевидного всолнечной системе закона. Вполне возможно допустить существование промежуточноймежду (1) и (2,3)-моделями Фридмана – постепенно затухающие пульсации. Однакодаже в случае единичного расширения следует ожидать затухания малых звезд (типаСолнца) лишь через 1014 лет, что в 1000 раз больше возраста Вселенной.
Диапазонывремен для других моделей еще больше.Следовательно, наш мир имеет начало – 15-20 млрд. лет назад произошелБольшой взрыв (измерения 1995 г. – 10-12 млрд. лет [12]. Теория взрыва была почтиотвергнута в 1947 г, когда был достаточно надежно оценен возраст Земли (данные пораспаду урана) – Земля оказалась почти вдвое "старше" вычисленного Хабблом времениначала разбегания галактик.
Но к 1952 г были сделаны перекалибровки кривых цветсветимость и несоответствие устраненно.4В 1951 г. католическая церковь официально признала, что модель Большоговзрыва согласуется с Библией. В 1981 г в Ватикане была организована очереднаяконференция по космологии, и глава католической церкви папа сказал, что областьнауки – все, что было после Большого взрыва, но ученым не следует вторгаться в самБожественный акт Сотворения.Первое независимое доказательство теории Большого взрыва было получено в1965 г.Возможны разные механизмы самого взрыва.
Модель "горячей Вселенной"предложил амер. Георгий (Джордж) Антонович Гамов (1904-1968) – ученикА.А.Фридмана в 1940 г [13]. Свечение раскаленной ранней Вселенной может дойти донас сейчас с сильным красным смещением – до сверхвысокочастотного (СВЧ)диапазона. Предсказанное Гамовым реликтовое радиоизлучение (фотоны чуть теплее 0К) открыто в 1965 г. Американцы Арно Пензиас и Роберт Вильсон испытывали новыйочень чувствительный СВЧ-детектор для связи с искусственными спутниками Земли иобнаружили уровень шума выше расчетного. После тщательных измерений стало ясно,что источник этого шума одинаков во всех направлениях и находится за пределаминашей Галактики.
Это было доказательством гипотез Фридмана и Гамова о равномерномрасширении Вселенной в результате горячего взрыва. В 1978 г. А.Пензиас и Р.Вильсонполучили Нобелевскую премию.Именно 1965 г следует считать началом крушения теории устойчивой Вселеннойв умах большинства ученых.Таким образом, модель вечной Вселенной пришлось заменить давно известноймоделью (Бытие 1, 1-5):В начале сотворил Бог небо и землю.Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился надводою.И сказал Бог: да будет свет. И стал свет.И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы.И назвал Бог свет днем, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один.Модели Фридмана предполагают сингулярность (что такое – неизвестно впринципе). Это точка, где плотность и кривизна пространства-времени бесконечны, т.е.нулевого размера.
Теории Большого взрыва без сингулярности гораздо менее вероятны(Е.М.Лифшиц и И.М.Халатников, 1963-1970 гг).Следует подчеркнуть, что теория Большого взрыва (сингулярность и началовремени) вытекает из общей теории относительности (теорема Роджера Пенроуза осжатии звезды до черной дыры – 1965 г.; совместная теорема Стивена Хокинга иПенроуза – 1970 г.).
Но в сингулярности ОТО вступает в противоречие с требованиямиквантовой механики (размеры бесконечно малы). Космология потребовала совместногоучета этих несовместимых теорий.Развитие Вселенной (по Дж.Гамову, 1948).В момент Большого взрыва размеры Вселенной были нулевыми, а температура –бесконечно велика (1026 градусов – уровень "обратного счета", доступного теориям,соответствующий времени 10-43 секунды). Через секунду температура упала до десятимиллиардов градусов (такая t0 возможна при взрыве водородной бомбы). Вселеннаясостояла тогда из фотонов, электронов и нейтрино, небольшого количества протонов инейтронов и их античастиц.Сначала был только “свет”.
Для того, чтобы излучение превратилось в вещество(процесс, обратный аннигиляции), энергия фотона, рождающего пару частицаантичастица, должна быть больше E = 2 mc2 (где m – масса покоя чатицы). Температура,соответствующая такой энергии: T = 2 mc2/k, где k – постоянная Больцмана =50,00008617 эВ/К. Пороговая температура для рождения пар электрон-позитрон (масса есоответствует энергии 0,511 МэВ) – 6.109 К.Процесс появления вещества из первичного излучения давно описан (Бытие 1, 610):И сказал Бог: да будет твердь посреди воды, и да отделяет она воду от воды.И создал Бог твердь; и отделил воду, которая под твердью, от воды, котораянад твердью.
И стало так.И назвал Бог твердь небом. И был вечер, и было утро: день вторый.И сказал Бог: да соберется вода, которая под небом, в одно место, и да явитсясуша. И стало так.И назвал Бог сушу землею, а собрание вод назвал морями. И увидел Бог, что этохорошо.Тот же фрагмент в Торе (Брейшит 1, 6-8):И сказал Всесильный: “Да будет пространство посреди воды и отделяет оноводу от воды”.И создал Всесильный пространство, и разделил между водою, которая подпространством, и между водою, которая над пространством; и стало так.И назвал Всесильный пространство небом. И был вечер, и было утро: деньвторой.Согласно расчетам Гамова, в первоначальной смеси частиц на каждый протон,нейтрон и электрон должно было присутствовать около 40 млн.
фотонов. Начальныйбаланс частиц и античастиц отличался примерно на одну миллиардную(десятимиллиардную) в пользу частиц, что и привело к нашей Вселенной. Через стосекунд температура упала уже до миллиарда градусов, стали появляться первыеатомные ядра – дейтерий, гелий, затем литий и бериллий). Через несколько часов послеБольшого взрыва новые элементы перестали образовываться.Стандартная модель (станд. сценарий) – это подробно разработанная теория,начиная с 0,01 сек – времени возникновения равновесного "газа", в котором не видныболее ранние стадии. Температура 1011 К, доля нейтронов ок.
46% от суммы протонов инейтронов. В предположении, что размер Вселенной обратно пропорционалентемпературе (современная реликтовая темп. 3 К, а "длина окружности" около 125 млрд.свет. лет), получаем, что при 1011 К длина окружности – 4 световых года [14]. Т.е.скорость "расширения" – 0,65 световых года (радиус) за 0,01 секунду. Такоезначительное превышение скорости света связано с тем, что происходит рождениесамого пространства [15].Примерно через 3 мин. 2 сек. температура понизилась до 1 млрд (109) градусов,начинают получаться ядра.
Соотношение протоны/нейтроны = 8:1 и оно сохранилось.Следующие 500 тыс. лет – без изменений.Вселенная представляет собой смесь лептонов (нейтрино и антинейтрино),реликтовое излучение (фотоны) и барионы (водород, гелий, очень мало их изотопов) [16].Четыре фундаментальных взаимодействия не дают предпосылок для дальнейшегоразвития [17]. Структурирование Вселенной до образования звезд заняло до 3 млрд. лет[18].Отдельные области начали через миллион лет снова сжиматься, образуя газовыескопления, затем внутри этих скоплений (будущих галактик) начали появляться звезды.Более тяжелые звезды иногда взрывались (сверхновые), снабжая галактики тяжелымиэлементами. Затем снова начинался процесс сжатия облаков космического газа. НашеСолнце – звезда второго или третьего поколения, образовавшаяся около пяти6миллиардов лет назад.
Температурные диапазоны синтеза элементов (ядер) [19]следующие: при температуре центра Солнца около 15 млн Cо идет только синтез гелияиз водорода; при 100 млн Cо ядра гелия сливаются в углерод; при дальнейшем ростетемпературы в центре звезды до 600 млн Cо из углерода начинает синтезироватьсямагний; при 200 млн Cо из магния образуется сера, а при 4000 млн Cо из атомов серысинтезируется железо (процессы сложны и многоступенчаты).
Однако уже к окончаниюсинтеза водорода из гелия звезда тратит около 2/3 своей ядерной энергии. Синтез болеетяжелых элементов требует уже притока энергии, который возникает при быстромколлапсе до белого карлика, особенно на стадии его взрыва (сверхновая) [20] .Возникновение химических элементов по стандартной моделиТаблица 1*. Первичный нуклеосинтезВозрастТемпература,КВселенной10-2 с-110 с1с13,8 с35 мин57*10 лет1011103*101010Состояние и состав веществаn, p, е-, e+, ν, ν– в тепловом равновесии; n и p водинаковом количествеТе же частицы, что и выше, но отношение числанейтронов к числу протонов n : p = 3 : 5ν, ν– отделяется от остальных частиц; е-, е+ начинаютаннигилировать; n : p = 1 : 33*10Начинается образование D и 4Не; исчезают е-, е+; естьтакже свободные n и p3*108Фиксируется количество D и 4Не по отношению к числупротонов и электронов;4Не / Н ~ 22-28% (по массе)93*103Образуются устойчивые нейтральные атомы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
