Вселенная. Космологические модели Вселенной

Основные положения космологии.

ЛЕКЦИЯ VIII

Понятие «Вселенная» означает Космос, доступный человеческому наблюдению. Вселенную изучает наука космология. Ее цель - выявление и изучение законов, функционирующих во Вселенной. Вселенная - упорядоченное целое, значит, космология открывает и изучает упорядоченность Вселенной.

Несколько предпосылок этого изучения:

- считается, что формулируемые физикой законы «Функционирования мира» действуют во всей Вселенной;

- считается, что наблюдения астрономов также распространяются на всю Вселенную;

- считается, что истинны те выводы, которые не противоречат существованию человека (антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Первые научно-обоснованные модели Вселенной появились после открытий Коперника, Галилея и Ньютона. Они обосновывали бесконечность мира во времени и пространстве. Однако космология столкнулась тогда с парадоксами.

Гравитационный парадокс: согласно ньютоновскому понятию гравитации бесконечный Космос с конечной плотностью массы должен давать бесконечную силу притяжения. Бесконечно возрастающее тяготение неизбежно приводит к бесконечным ускорениям и бесконечным скоростям космических тел. Следовательно, скорость тел должна расти с увеличением расстояния между телами. Но этого не происходит, и тогда получается, что Вселенная не может существовать вечно.

Решая эту проблему, И. Кант сделал вывод о нестатичности Космоса. Туманности он называл "мировыми островами". Ламберт развил идеи Канта. По его мнению, при увеличении размеров островов увеличивается и расстояние между ними так, что суммарные силы Космоса остаются конечными. Тогда парадокс разрешается.

Фотометрический парадокс (парадокс Ольберса): при бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд, небо должно быть равномерно ярким. На самом же деле такого не наблюдается. В 1823 г. Ольберс показал, что пылевые облака, которые поглощают свет более дальних звезд, сами нагреваются и должны поэтому излучать свет. Этот парадокс разрешился сам собой после создания модели расширяющейся Вселенной.

Модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной построена на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения А. Эйнштейна.

Когда Эйнштейн работал над своей общей теорией относительности, Вселенная я представлялась ученым не такой, как сейчас. Еще не были открыты Метагалактика и ее расширение, поэтому Эйнштейн опирался на представления о стационарной Вселенной, которая равномерно наполнена Галактиками, находящимися на неизменных расстояниях. Тогда неизбежно следовал вывод о сжатии мира под действием силы притяжения, поэтому Эйнштейн произвольно ввел в свои уравнения малую величину - космическое отталкивание.

В основе модели расширяющейся Вселенной лежат следующие предположения:

1) свойства Вселенной одинаковы во всех точках (однородность);

2) свойства Вселенной одинаковы во всех направлениях (изотропность);

3) кривизна пространства связана, с плотностью массы (энергии).

Советский физик А.А. Фридман в 1922 г. заметил, что из теории относительности вытекает нестационарность искривления пространства. К такому же выводу пришел голландский астроном В. де Ситтер. Он фактически предсказал расширение Вселенной. Однако до открытия американцем Э. Хабблом «красного смещения» эти гипотезы воспринимались как казус.

Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения, линии спектра в его видимой части смещаются к его красному, концу. Красные волны более длинные. Согласно эффекту Доплера, при удалении источника колебаний воспринимаемая частота колебаний уменьшается, а длина волны увеличивается, Хаббл зафиксировал красное смещение для всех далеких источников света. Чем дальше был источник, тем больше было смещение. Следовательно, гипотеза о расширения Вселенной подтвердилась.

Хаббл вывел формулу, из которой выводилось, что все вещество во Вселенной было сконцентрировано в одной точке, откуда оно разлетелось в момент взрыва, который и породил Вселенную. Этот Большой Взрыв, согласно выведенным из формулы Хаббла данным, произошел млрд. лет назад. Учитывая приближенность этой оценки, рождение Вселенной относят ко времени 12-18 млрд. лет назад.

Большой Взрыв не был похож на привычные нам земные взрывы, когда существует определенный эпицентр. Большой Взрыв произошел одновременно везде, с самого начала он заполнил все пространство. Любая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы. Сингулярная точка - начальное состояние Вселенной - характеризуется бесконечной плотностью массы, бесконечной кривизной пространства и взрывным, замедляющимся со временем, расширением. Тогда существовала только смесь элементарных частиц.

Есть гипотеза, что Вселенная образовалась из вакуума. Вакуум - не совсем «ничего». Это своеобразная форма материи, которая при определенных условиях может рождать частицы. Вакуум может прийти в возбужденное состояние, вследствие чего образуется поле, а из поля может образоваться вещество. В вакууме частицы отсутствуют, но может происходить случайная флуктуация.

Флуктуация - появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуации вакуум приобретает особые свойства.

Расширение Вселенной проявляется на уровне галактик. Центра от которого галактики «разбегаются», не существует.

Идею Большого Взрыва выдвинул ученик Фридмана Гамов. Он рассматривал распространение химических элементов во Вселенной и предположил, что элементы тяжелее гелия родились не в звездах, а в момент возникновения Вселенной. По законам термодинамики при высоких плотностях и температурах разогретое вещество и излучение находятся в равновесии. Излучение продолжает движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной и сохраняется до нашего времени. При этом его температура понизилась.

Теория горячей Вселенной объяснила соотношения водорода и гелия в современной Вселенной исходя из ядерных реакций в горячей ранней Вселенной. Большинство звезд состоит из водорода и гелия. Углерод образуется из трех ядер гелия в центре звезды.

Начальную стадию образования Вселенной делят на эры:

1. Эра адронов. Велика энергия гамма-квантов. Существуют только частицы больших масс, так как очень высока температура. Существуют адроны и лептоны. Первые участвуют в сильных и быстрых взаимодействиях, вторые - в слабых и медленных.

2. Эра лептонов. Основную роль играют легкие частицы, которые принимают участие в реакциях между протонами, и нейтронами.

3. Эра фотонов. В первые 5 минут этой эры произошли события, определившие устройство нашего мира. Уменьшилась температура, количество протонов увеличилось, т.к. реакции с участием протонов более энергетически выгодны. Нейтронов осталось около 15%.

4. Эра излучения. Нейтроны захватываются протонами и происходит образование ядер гелия. Температура еще понизилась, плотность вещества уменьшилась и создались условия для образования первичных атомов. Из­лучение отделилось от вещества. Закончилась начальная стадия образова­ния Вселенной.

5. Эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль начинает играть вещество.

6. Звездная эра. Начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Теория горячей Вселенной успешно объясняет многие явления, однако крупномасштабное скручивание галактик или существование квазаров она не могла объяснить.

Существует еще модель раздувающейся Вселенной. Согласно ей, в ранний период существования Вселенной было сильное и очень кратковременное его раздувание. Во время раздувания все локальные скручивания сильно расширились. Эта модель приводит к выводу о том, что Вселенная, которую мы наблюдаем, только часть Вселенной. Эта модель объясняет и реликтовое излучение, и красное смещение, и первоначальное содержание легких элементов. Она исходит из того, что законы физики не менялись, и состояние первоначальной Вселенной описывается квантовой гравитацией.

В современной космологии модели горячей Вселенной и раздувающейся Вселенной дополняют друг друга.

Теория Большого Взрыва и расширяющейся вселенной повлияла на модели образования небесных тел. В. Амбарцумян выдвинул гипотезу о возникновении галактик, звезд и планет из сверхплотного дозвездного вещества, состоявшего из самых тяжелых элементарных частиц - гиперонов.

Все небесные тела либо испускают энергию (звезда), либо нет (планеты, кометы, метеориты, космическая пыль). Звезды производят химические элементы, дают свет и (в случае нашего Солнца) - жизнь. Звезды по сложным орбитам движутся вокруг центра Галактики. Самые крупные звезды называются красными гигантами и сверхгигантами, Когда звезда исстрачивает свое водородное горючее, она сжимается до бесконечной плотности, притом масса остается прежней. Тогда звезда превращается в белого карлика.

Откуда звезда берет свою энергию? Английский ученый Эддингтон объяснил энергию звезд термоядерными реакциями синтеза гелия из водорода. Масса ядра гелия превышает массу ядра водорода почти в 4 раза, и это является эквивалентом огромной энергии. При огромной температуре, которая существует в центре звезды, где происходит этот процесс, атомы теряют свои оболочки. С точки зрения квантовой механики существует вероятность преодоления барьера, окружающего ядро протона, протоны сталкиваются друг с другом, протон превращается в нейтрон, рождается тяжелый водород и начинается термоядерная реакция, которая, и является источником энергии звезд.

Звезды - шары из газа в состоянии плазмы, находящиеся в лучистом равновесии. Эддингтон вычислил, что в центре звезды температура 15 млн. градусов.

Термоядерные реакции идут в центре шара радиусом 250 тысяч км. Эту область окружает зона лучистого переноса энергии, в которой термоядерные реакции не происходят. Далее следует зона конвекции, в которой энергия переносится на поверхность. Конвекционная зона обеспечивает нагревание солнечной короны и хромосферы. Солнечную корону образует газ, который непрерывно истекает в межпланетное пространство. Здесь дует сильный солнечный ветер. На расстоянии земной орбиты скорость солнечного ветра примерно 400 км/сек. За 1 млрд. лет Солнце теряет 1/100 своей массы.

В 1900 г. американец Э. Пикеринг ввел спектральные классы, обозначив их буквами латинского алфавита. Каждый класс потом разбили на группы от 0 до 9. По спектру наше Солнце в классе G2. По светимости звезды разделены на 7 классов, их обозначают римскими цифрами. Класс светимости пишут после спектрального класса. Наше Солнце обозначается как звезда класса G2V.

Чем меньше масса звезды, тем меньше ее поверхностная температура, следовательно, ее спектральный класс более поздний.

Звезды эволюционируют так: из облака газа и пыли в результате возникновения гравитационной неустойчивости и последующего за ним сжатия возникает протозвезда. Гравитационная энергия способствует разогреву внутренних слоев, происходят вспышки поверхности. Наконец, достигается температура, необходимая для начала термоядерной реакции. Тогда протозвезда становится звездой. Этот путь наша Солнце проделало примерно за 2 млн. лет.

Когда выгорает водород, повышается давление в оболочке, расширяются верхние слои звезды. Развивается протяженная зона конвекции, и звезда становится красным гигантом. Вблизи ядра температура высокая, но атмосфера холодная, и она отбрасывается огромным давлением и превращается в газовую туманность.

Возможно превращение звезды в пульсар. Стадия пульсации длится недолго (для мегамира) - несколько миллионов лет. После этого звезда становится белым карликом. Эта же судьба ждет и наше Солнце, но через миллиарды лет.

Существуют переменные звезды - их блеск меняется либо периодически, либо беспорядочно. Обнаружено более 14 тысяч переменных звезд.

В нашей Галактике происходит в год примерно 100 вспышек новых звезд. Сейчас ясно, что новые звезды - двойные системы. Притом вспыхивает звезда с меньшей массой. Вспышка говорит о гибели звезды. Наиболее мощные вспышки называют сверхновыми звездами. Крабовидная туманность - результат вспышки сверхновой звезды, ее в 1054 г. наблюдали китайские астрономы. В нашей Галактике за всю историю наблюдений вспыхивало только три сверхновых звезды. Это было в 1054, 1572 и 1604 годах. Кроме того, наблюдаются туманности, которые являются остатками вспышек. В нашей Галактике их около 10.

При вспышках сверхновых звезд как конечная стадия эволюции массивных звезд могут образоваться нейтронные звезды. Если при вспышке сверхновой сжатие ядра неостановимо, начинается гравитационный коллапс. Тогда звезда превращается в «черную дыру».

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 537; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!