goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Формула Доплера, описывающая изменение частоты в общем случае имеет вид; Л=( лг ~в 1 — (о/с) соз й где гц — частота, измеренная неподвижным наблюдателем, шо — частота, испускаемая источником света, и — скорость источника света, а д — угол между вектором скорости источника и направлением на источник. При измерении продольных скоростей д = О при удаления от нас источника света, и д = и при его приближении. Формула Доплера в атом случае приобретает более простой вид: Верхние знаки в числителе и в знаменателе соответствуют г1 = О, а нижние О = я. При малых скоростях смешение частоты оказывается незначительным, но частоты спектральных линий измеряются сейчас с точностью до 8 значащих цифр, так что положение оказывается не таким уж плохим.
Итак, скорости удаления звезд измеряются по изменению частоты линий. О каких линиях идет речь? Спектр испускаемого звездой излучения непрерывен. Но на пути к нам свет проходит через газовую оболочку, окружающую звезду. Атомы газа избирательно поглощают свет разных частот, так что спектр прорезается тонкими линиями поглощения атомов оболочки.
По этим линиям исследуется состав оболочек. В них всегда содержатся линии водорода и в меньшем количестве — гелия. Это замечание нам потребуется в дальнейшем. 45? $8? ЭлементАРные чхстицы и кОсмОс Вернемся к измерению скорости удаления звезд. Приведем в качестве примера смещение линий в звезде Капелла. Эти линии смещены относительно солнечных на 10 '. Это означает, что звезда удаляется — А от нас со скоростью 10 ' от скорости света, т, е, всего (!) на 30 км/с. Скорости разбегания галактик, удаленных от нас на расстояния порядка 10 св. лет, составляют уже 15000 км/с.
Измерение поперечных скоростей оказывается более трудным, а часто и невозможным. Такие измерения делаются по смещению видимого положения звезд со временем. Иас эти скорости интересовать не будут. Следующая проблема — определение расстояний — решается менее надежно. Расстояния находятся по яркости звезд. В самом деле, нет никаких причин, которые заставили бы звезды в одних галактиках испускать больше света, чем в других. Поэтому различие в видимых яркостях связано с разными расстояниями от нас. Есть еще один метод определения расстояний. Существуют звезды, светимость которых периодически изменяется — ц е ф е и д ы. Измерения показали, что между периодом изменения светимости и светимостью цефеид имеется жесткая связь. Определяя видимые яркости цефеид в разных галактиках, можно определить их удаление. Измерения, сделанные обоими методами, дают согласные результаты.
Самым важным методом исследования Вселеьшой остаются астрономические исследования с помощью телескопов. Телескопы необходимы и для всех перечисленных выше методов. Астрономические наблюдения получили могучий толчок вперед после того, как начал работать научный центр на горе Вильсон в США, расположенный выше облачного слоя при существенно меньшем атмосферном давлении, чем на поверхности Земли. Обрабатывая результаты исследования нескольких десятков галактик, Хаббл пришел к важнейшему выводу. С корост ь ра з б е г ания галактик пропорциональна их расстоянию от нас: где ц — скорость удаления галактики, а г1 — ее удаление. Заметим, что так и должно быть, если все они начали разбегаться в одно время из одного центра.
Константа Н носит название и о с т о я н н о й Х а б б л а. Принятое сечас значение Н определяется следующим образом: скорость удаления увеличивается на 20 км!с на миллион световых лет. Важные данные были получены в последние годы при исследовании «фонового» радиоизлучения. Информация об этом излучении сначала была получена случайно. Лишь через несколько лет была понята ее научная ценность, и измерения стали проводиться системати 1ески.
Сначала фоновое радиоизлучение было обнаружено на длине волны 7,5 см. ГЛАВА 16 Оно оказалось изотропным и не менялось со временем. Затем измерения были проведены в диапазоне длин волн от 0,33 см до 73,5 см. Оказалось, что величина и спектральное изменение интенсивности излучения соответствуют излучению черного тела при температуре 3 К. Мы обсудим этот результат ниже. Пока просто укажем, что фоновое излучение досталось нам в наследство от далеко~о прошлого и, повидимому, заполняет всю Вселенную. Это излучение называют р е л и к т о в ы м.
Теория Большого взрыва . Закон Хаббла позволяет не только предсказать будущее, но и заглянуть в прошлое. Просматривая историю Вселенной назад по времени, можно установить, что все галактики начали разлетаться одновременно из одной небольшой области (центра). Если исходить из принятого значения постоянной Хаббла, то Г„к„= 10го лет, При расчете возраста Вселенной учитывается изменение постоянной Хаббла с изменением размера Вселенной (из-за изменения гравитационных сил). Закон Хаббла не позволяет установить, сколь мал этот центр был вначале, однако другие данные (мы рассмотрим их ниже), показывают, что этот центр был чрезвычайно мал. Расширение Вселенной, как и расширение любого тела, сопровождалось ее охлаждением.
Собирание Вселенной в небольшой центр, наоборот, приводит к ее нагреванию. Начальные температуры были чрезвычайно большими. Затем началось стремителыюе расширение и охлаждение, которые продолжаются и сейчас. Эта теория — теория Б о л ь ш о г о в з р ы в а — получила сейчас всеобщее признание.
Теория Большого взрыва устанавливает связь между временем существования Вселенной, ее температурой и средней плотностью энергии; Плотность энергии обратно пропорциональна квадрату времени и прямо пропорциональна температуре в четвертой степени. Для оценок можно применять простую формулу, которая хорошо работает при небольших временах существования Вселенной где 1 измеряется в секундах, а йТ в МэВ (й — постоянная Больцмана).
При высокой температуре и плотности между всеми частицами, входящими в состав Вселенной, должно было существовать термодинамическое равновесие. Оцо продолжалось до тех пор, пока соударения частиц друг с другом происходили достаточно часто. Частота соударений зависит не только от плотности Вселенной, но и от эффективных сечений взаимодействия рассматриваемых частиц.
По мере расширения $8? ЭлементАРные чхстицы и кОсмОс 459 плотность Вселенной уменьшалась, и соударения переставали происходить «достаточно часто». Первыми «оторвались» от остального вещества нейтрино. Они унесли с собой много энергии, потому что на каждую частицу при термодинамическом равновесии приходится одинаковая энергия КТ, независимо от того, протон это или нейтрино (с расширением Вселенной энергия, приходящаяся на каждое нейтрино, падала в соответствии с уменьшением температуры Вселенной). При температуре 3000 К электроны и протоны начали объединяться в атомы водорода. Количество свободных электронов заметно уменыпилось, а значит уменыпилось количество частиц, с которыми могли взаимодействовать фотоны, и электромагнитное излучение тоже «оторвалось» от вещества.
Это то самое реликтовое излучение, которое сейчас имеет температуру ЗК, Исследование электромагнитного излучения несколько приблизило нас к точке начального взрыва, но недостаточно. Продвинуться ближе электромагнитное излучение не позволяет, потому что до момента «отрыва> фотоны находились в состоянии термодинамического равновесия со всеми остальными частицами, а при этом они «ничего не могут помнить» о своем прошлом. Дальнейшее продвижение основывается на соотношении количеств водорода и гелия. Реакция превращения водорода в гелий идет через несколько стадий.
Непосредственное превращение невозможно, потому что вероятность одновременной встречи двух протонов и двух нейтронов ничтожно мала. Реакция должна проходить через промежуточные стадии, прежде всего, через образование дейтронов. Энергия связи дейтрона «1 намного меньше, чем энергия связи гелия. Чтобы разрушить дейтрон, нужны фотоны с меньшей энергией, а значит образование дейтронов — а потом гелия — стало возможным только при сравнительно низких температурах. Посмотрим, как выглядела эволюция Вселенной в течение первых микросекунд, секунд и минут после сингулярности (т.е. начального момента), положившей начало Вселенной. Начнем с 0,01 с. Температура Вселенной была в это время равна 10"К. Вселенная находилась в термодннамнческом равновесии и представляла собой «кашу» изо всех существующих частиц. Плотность энергии составляла 4.10з кг/л (при расчете плотности энергии массу надо переводить в энергию по обычной формуле).
При такой плотности энергии нейтрино успевали взаимодействовать со всеми остальными частицами и находились в тепловом равновесии с ними. При этом происходили реакции: 460 ГЛАВА 16 Эти реакции происходили одинаково часто, потому что энергия нейтрино при этой температуре (10 МзВ) существенно превосходит разность масс нейтрона и протона. Распадом нейтрона можно пренебречь. Число нейтронов равнялось числу протонов. Следующий шаг — к температуре 3.10'оК.
Возраст Вселенной 0,11 с. Никаких качественных изменений не произошло, но доля нейтронов упала до 38%, потому что реакции перехода более тяжелых нейтронов в более легкие протоны стали происходить чаще, чем обратные реакции. Третий шаг — переход к температуре 10'" К. Возраст Вселенной составляет 1,09 с. Плотность энергии упала настолько, что нейтрино начинают выпадать из равновесия с остальными частицами. Они перестают играть роль в реакциях, поддерживающих термодинамическое равновесие остальных частиц. Основная доля энергии приходится теперь на долю электронов, позитронов и фотонов, Плотность энергии упала до 3 10» кг/л. Доля нейтронов уменьшилась до 24%. Четвертый шаг — к температуре 3.10зК.
Возраст Вселенной — 14 с. Электроны и позитроны начинают аннигилировать, их количество резко уменьшается, и главными компонентами Вселенной становятся фотоны и нейтрино. Доля нейтронов падает до 17%. Пятый шаг — к температуре 10э К. Доля нейтронов — 14 %. Возраст Вселенной несколько более 3 минут. Образование гелия все еще невозможно, потому что дейтрон обладает очень небольшой 12,22 МэВ) энергией связи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
