38348 (660682), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Одно время считалось, что подойдет ионизованный водород, поскольку фоновое рентгеновское излучение во Вселенной связывалось именно с ним. Однако позже выяснилось, что это излучение скорее всего вызыва­ется квазарами. Тогда пришла очередь нейтронных звезд, белых карликов и черных дыр, но и они в конце концов отпали. Черные дыры должны были бы быть сверхмассивными (иметь массу порядка галактичес­кой) или же встречаться очень часто, что маловероят­но. Исследования показали, что хотя в центре многих, если не всех, галактик могут быть массивные черные дыры, нет свидетельств существования таких изоли­рованных дыр в скоплениях, иначе была бы вероят­ность заметить их и в нашей Галактике.

В качестве возможных кандидатов рассматрива­лись и фотоны, ведь энергия есть одна из форм суще­ствования материи. Однако и в этом случае расчеты показали, что их вклад явно недостаточен.

Создавалось впечатление, что во Вселенной просто недостаточно материи и потому она незамкнута. Тем не менее некоторые ученые были убеждены, что в кон­це концов недостающая масса найдется. И вот насту­пила кульминация... В предыдущей главе говорилось, что весь дейтерий во Вселенной образовался через не­сколько минут после Большого взрыва. Хотя основ­ная его часть быстро превратилась в гелий, некоторое количество все же осталось, и если его измерить, то можно ответить на вопрос, замкнута ли Вселенная. Чтобы понять почему, посмотрим, что происходило в то время. Известно, что при соударении ядер дейте­рия образуется гелий. Если плотность Вселенной бы­ла высока, то соударений было много и образовалось значительное количество гелия; если же плотность бы­ла низка, то осталось много дейтерия. Поскольку ко­личество дейтерия во Вселенной со временем измени­лось незначительно, измерение его должно показать, замкнута ли Вселенная. Такие измерения, конечно же, были проделаны, и вот их результат — Вселенная не замкнута. В 70-е годы такой результат казался вполне убедительным, а когда аналогичные оценки были про­деланы для гелия и совпали с данными по дейтерию, вопрос, казалось, был решен окончательно — Вселен­ная открыта.

Однако через несколько лет ученые нашли изъян в этой аргументации. Из нее следовало лишь то, что Вселенная не может оказаться замкнутой частицами, называемыми барионами. К барионам относятся и протоны и нейтроны, из которых состоит большинст­во известных нам объектов — звезды, космическая пыль, водород и даже образовавшиеся в результате коллапса звезд черные дыры. Может возникнуть во­прос: а есть ли что-нибудь кроме барионов? Да, это лептоны и так называемые экзотические частицы. Лептоны чересчур легки, чтобы заметно увеличить массу, а вот экзотические частицы в последнее время привлекают к себе большое внимание. Первыми в по­ле зрения попали нейтрино, и в течение какого-то вре­мени астрономы были убеждены, что эта частица по­может «замкнуть» Вселенную. Нейтрино почти так же распространены, как фотоны, примерно миллиард на каждый атом вещества; долгое время считалось, что их масса покоя равна нулю. Конечно, массой они все-таки обладают, ведь любая форма энергии имеет массу, но ее явно не хватит, чтобы остановить расши­рение Вселенной.

Но вот в конце 70-х годов было высказано предпо­ложение, что нейтрино имеют массу покоя. Как бы мала она ни была, из теорий следовало, что в целом она может внести существенный вклад в массу Вселенной. Эксперимент по проверке этого предположе­ния был выполнен группой ученых, в которую входи­ли Ф. Рейнес, X. Собел и Э. Пасиерб. Они не измеряли массу непосредственно, а выбрали другой путь. Ранее было обнаружено, что фактически существует три ти­па нейтрино — один, связанный с электроном, дру­гой — с более тяжелой, хотя и подобной электрону ча­стицей, называемый мюоном, а третий — с еще более тяжелой частицей, «тау», обнаруженной в 1977 году. Согласно теории, все три разновидности нейтрино могут превращаться друг в друга. Иными словами, они могут менять тип, но только в том случае, если их масса больше нуля. Рейнес, Собел и Пасиерб провели соответствующий эксперимент и пришли к выводу, что им удалось зарегистрировать переход от одного типа нейтрино к другому.

Однако другие ученые, попытавшиеся повторить эксперимент, не смогли подтвердить этот результат. Стало уже казаться, что Рейнес с коллегами допусти­ли ошибку, но тут пришло известие о том, что группе советских ученых удалось измерить массу нейтрино непосредственно. Но и здесь не все так просто. Мно­гие пробовали проверить полученный в СССР ре­зультат, но пока безуспешно. Вопрос о массе покоя нейтрино до сих пор остается открытым.

Конечно, даже если у нейтрино не окажется массы покоя, есть другие экзотические частицы, и некоторые из них заслуживают пристального внимания. Так, предполагается, что гравитационное поле переносит­ся гипотетическими частицами — гравитонами. Пока они не обнаружены, но некоторые ученые убеждены в их существовании. Из теории супергравитации сле­дует, что гравитону должно сопутствовать гравитино; более того, из нее вытекает, что партнеры должны быть у всех частиц: у фотона — фотино, а у W — вино. Все такие частицы-партнеры имеют общее название «ино». Некоторые ученые полагают, что благодаря своей массе они могут внести существенный вклад в среднюю плотность вещества во Вселенной. Но ес­ли даже эти частицы не подойдут для уготованной им роли (или вообще не будут найдены), то есть еще один кандидат, который пока, правда, существует только на бумаге. Его называют аксионом, и он силь­но отличается от «ино», в частности он гораздо легче. Пока все эти частицы — лишь плод воображения уче­ных, но все же они привлекают серьезное внимание. Другая частица, о которой в последнее время много разговоров, — магнитный монополь. Это очень мас­сивная частица с одним магнитным полюсом. Каж­дый, кто знает, что такое магнит, скажет, что это не­возможно. Известно, что при разрезании полосового магнита на две части получаются два магнита, каждый из которых имеет северный и южный полюсы. Разре­зая такой магнит, мы будем получать тот же резуль­тат, сколько бы раз мы это не повторяли. Получить, та­ким образом, изолированный северный или южный магнитный полюс нельзя. Но еще в 30-е годы Дирак предсказал, что такая частица должна существовать. Многие экспериментаторы бросились проверять его теорию, но поиски монополей ни к чему не привели, и постепенно интерес к ним угас. Но вот в 1974 году сотрудник Государственного университета Утрехта в Нидерландах Дж. Хофт и независимо от него совет­ский ученый А. Поляков показали, что существование монополей следует из некоторых единых теорий поля. Это возродило интерес к монополям, и многие возобновили их поиск. Среди них был сотрудник Стан-фордского университета Блас Кабрера, который, про­ведя детальные расчеты, пришел к выводу, что можно регистрировать примерно по одному монополю в год. Он построил установку и стал ждать. Наконец его терпение было вознаграждено: 14 февраля 1982 года установка зарегистрировала первый монополь. Сооб­щение взбудоражило научный мир, хотя и было встречено с изрядным скептицизмом, а так как второй монополь обнаружить не удалось, скептицизма не убавлялось. Более того, другие попытки обнаружить монополи результатов не дали.

Заслуживает упоминания еще один, последний кандидат. Это особые другие черные дыры, так называемые реликтовые. Неплохими кан­дидатами считаются все черные дыры, которые обра­зовались раньше дейтерия. Правда, они должны быть относительно невелики, но все-таки на их массу мож­но рассчитывать. Ограничения накладывает также и испарение Хокинга; он показал, что все черные ды­ры, масса которых в момент образования была мень­ше 10(15) г, к настоящему времени уже должны были испариться. Отсюда следует, что внимания заслужи­вают только те из них, масса которых составляет от 10(15) до 10(32) г. Поскольку примерно таков диапа­зон масс планет, их называют планетарными черными дырами.

Если учесть вклад всех перечисленных выше видов масс, то может показаться, что суммарной массы вполне достаточно для обеспечения замкнутости Все­ленной. Однако сотрудник Чикагского университета Дэвид Шрамм с этим не согласен; из расчетов его группы следует, что средняя плотность вещества очень близка к пограничной — той, которая лежит на границе между замкнутой и открытой Вселенной.

Другие методы решения замкнутости Вселенной.

Видимо, наиболее надежным способом ответа на вопрос, замкнута или открыта Вселенная, является точное измерение ее средней плотности, и в последнее время именно он привлекает наибольшее внимание. Но это отнюдь не единственный способ; можно, на­пример, использовать диаграмму Хаббла. Если уско­рение галактик одинаково до самых дальних окраин Вселенной, то на диаграмме получится прямая; если же галактики замедляются, линия будет искривлена. По степени этого искривления можно понять, доста­точно ли замедление для прекращения расширения Вселенной.

Метод кажется довольно простым — достаточно построить график, охватывающий самые дальние, «приграничные» районы Вселенной, и определить степень искривления получившейся линии. Но как и при определении средней плотности, здесь тоже не обходится без трудностей. Уже отмечалось, что для удаленных районов Вселенной провести точные из­мерения очень трудно; кроме того, возникают и дру­гие проблемы. Вглядываясь в космические дали, мы заглядываем в прошлое, а значит, видим галактики такими, какими они были давным-давно. При этом, естественно, возникают вопросы, связанные с эволю­цией Вселенной: как эти галактики выглядят сегодня, насколько они изменились? Из многих теорий сле­дует, что галактики (в особенности эллиптические) раньше были гораздо ярче, т. е. нам представляется, что они находятся ближе, чем на самом деле. Из дру­гих же теорий вытекает, что некоторые галактики мо­гут расти, поглощая соседние, а потому сейчас они го­раздо ярче, чем в прошлом, и значит, кажутся нам расположенными дальше.

Исследование дальних границ Вселенной дает мно­го свидетельств процесса эволюции. За некоторым пределом наблюдаются уже только радиогалактики, а на самых окраинах видны только квазары. Попытка использовать эти объекты для нанесения точек на ди­аграмму Хаббла совершенно бессмысленна; такие точ­ки оказываются далеко в стороне от прямой, соответ­ствующей обычным галактикам. Более того, раз точно не известно, что такое квазары, вряд ли можно ожидать от них помощи. Поскольку они так далеки (и имеют небольшой возраст), то, вероятно, могут являться пер­вичными формами галактик, хотя с таким представле­нием согласны очень немногие астрономы.

Еще один метод решения нашей проблемы основан на так называемом подсчете чисел. Как и в предыду­щих случаях, основная идея проста, но, к сожалению, приводит к неоднозначным результатам. Нужно лишь подсчитать в заданном направлении, насколько хва­тит глаз, количество галактик или объектов других типов, а затем построить график зависимости числа зарегистрированных объектов от расстояния. Таким образом, можно определить глобальную кривизну; если она положительна, Вселенная замкнута, а если отрицательна — открыта. В плоской Вселенной точки на построенном графике были бы распределены рав­номерно по всем направлениям и для всех расстоя­ний. При положительной кривизне следует ожидать избытка точек в близких районах, а при отрицатель­ной — напротив, их недостатка. Широкомасштабные исследования, проведенные в 70-х годах в Университе­те штата Огайо, казалось бы, продемонстрировали из­быток точек, а значит, и замкнутость Вселенной, одна­ко недавние проверки не подтверждают этого вывода.

Заслуживает упоминания и метод определения угловых размеров. Суть его состоит в тщательном из­мерении диаметра галактик конкретного вида; затем аналогичное измерение производится для другой га­лактики того же типа, расположенной гораздо дальше, но на известном расстоянии. Если пространство ис­кривлено, то в измерение диаметра как бы вносится ошибка — его величина будет казаться больше при по­ложительной кривизне и меньше при отрицательной.

Судьба замкнутой Вселенной.

Вероятно, Вселенная так близка к «водоразделу», что, обсуждая ее дальнейшую судьбу, приходится рас­сматривать как открытый, так и замкнутый варианты.

Для начала, предположим, что Вселенная замкну­та. В таком случае в течение 40-50 миллиардов лет ничего существенного не произойдет. По мере увели­чения размеров Вселенной галактики будут все даль­ше разбегаться друг от друга, пока в какой-то момент самые дальние из них не остановятся и Вселенная не начнет сжиматься. На смену красному смещению спе­ктральных линий придет синее. К моменту максимального расширения большинство звезд в галактиках погаснет, и останутся в основном небольшие звезды, бе­лые карлики и нейтронные звезды, а также черные дыры, окруженные роем частиц — в большинстве сво­ем фотонов и нейтронов. Наконец, через примерно 100 миллиардов лет начнут сливаться воедино галак­тические скопления; отдельные объекты сначала бу­дут сталкиваться очень редко, но со временем Вселен­ная превратится в однородное «море» скоплений. Затем начнут сливаться отдельные галактики, и в кон­це концов Вселенная будет представлять собой одно­родное распределение звезд и других подобных объ­ектов.

В течение всего коллапса в результате аккреции и соударений станут образовываться, и расти черные дыры. Будет повышаться температура фонового излу­чения; в конце концов, она почти достигнет температу­ры поверхности Солнца и начнется процесс испаре­ния звезд. Перемещаясь на фоне ослепительно яркого неба, они подобно кометам будут оставлять за собой состоящий из паров след. Но вскоре все заполнит рас­сеянный туман и свет звезд померкнет. Вселенная по­теряет прозрачность, как сразу же после Большого взрыва. (В гл. 6 мы видели, что/ранняя Вселенная была непрозрачной, пока ее температура не упала примерно до 3000 К; тогда свет стал распространять­ся без помех.)

По мере сжатия Вселенная, естественно, будет проходить те же стадии, что и при создании Вселенной, но в обратном порядке. Температура будет рас­ти, и сокращающиеся интервалы времени начнут иг­рать все большую роль. Наконец галактики тоже ис­парятся и превратятся в первичный «суп» из ядер, а затем распадутся и ядра. Вселенная быстро проско­чит через лептонную и адронную эпохи к хаосу. В эпоху адронов ядра развалятся на кварки. На этом этапе Вселенная станет крохотной и состоящей толь­ко из излучения, кварков и черных дыр. В последнюю долю секунды коллапс дойдет почти до сингулярно­сти, а затем произойдет «большой пшик».

Отскок.

Что случится во время «большого пшика» — неиз­вестно, поскольку нет теории, которая годилась бы для описания сверхбольших плотностей, возникаю­щих до появления сингулярности; можно лишь стро­ить предположения. Большинство из них основано на идее «отскока» — внезапного прекращения сжатия, нового Большого взрыва и нового расширения. Одной из причин первоначального введения идеи отскока была возможность обойти неприятную с точки зрения многих астрономов проблему возникновения Вселен­ной. Если отскок произошел один раз, то он мог слу­чаться неоднократно, может быть, бесчисленное коли­чество раз, поэтому не нужно и беспокоиться о начале времен.

К сожалению, при подробной проработке такой идеи оказалось, что и отскок не решает проблемы. В интервалах между отскоками звезды излучают зна­чительное количество энергии, которая затем кон­центрируется при достижении состояния, близкого к сингулярности. Эта энергия должна постепенно на­капливаться, из-за чего промежуток времени меж­ду последовательными отскоками будет возрастать. Значит, в прошлом эти промежутки были короче, а когда-то, в пределе, промежутка не было вовсе, т. е. мы приходим к тому, чего старались избежать, — про­блеме начала Вселенной. Согласно расчетам, от нача­ла нас должно отделять не более 100 циклов расшире­ний и сжатий.

Многие предпринимали попытки обойти эту про­блему. Томми Голд, например, разработал теорию, со­гласно которой в момент наибольшего расширения время начинает течь вспять. Излучение устремится обратно к звездам и Вселенная «омолодится». В та­ком случае она будет равномерно осциллировать меж­ду коллапсом и максимальным расширением.

Весьма интересную, но очень спорную теорию пред­ложил Джон Уилер. Воспользовавшись идеей Хо-кинга, согласно которой фундаментальные константы «теряют» свои числовые значения при достаточно вы­соких плотностях, он показал, что цикл осцилляции не обязательно должен удлиняться. Из-за принципа неопределенности значения констант утрачиваются, когда Вселенная сжимается до почти бесконечной плотности. После возможного отскока и нового рас­ширения эти константы могут получить совершенно иные значения. Продолжительность циклов в таких обстоятельствах также будет меняться, но случайным образом; одни циклы станут очень длинными, а дру­гие короткими.

Судьба открытой Вселенной.

В противоположность замкнутой, открытая Все­ленная продолжает расширяться вечно. Основным от­личием от процессов, описанных в предыдущем раз­деле, является разница во временах. Раньше речь шла о периодах в 50 или 100 миллиардов лет, а сейчас при­дется рассматривать столь большие промежутки вре­мени, что понадобятся числа с большим показателем степени, например, будут упоминаться интервалы до 10(100) лет. Если трудно представить себе 100 милли­ардов лет, то о таком числе и говорить нечего.

Характеристики

Список файлов реферата