КОНЦЕПЦІЯ ВЕЛИКОГО ВИБУХУ

У наведеному вище аналізі ми не обговорювали в явному вигляді одне положення, вважаючи його цілком очевидним. Йдеться про збереження маси М речовини у Всесвіті. Якщо маса постійна, то в майбутньому речовина Всесвіту в середньому стане більш розрідженим. Навпаки, в минулому Всесвіт була набагато більш щільною, ніж в сучасну епоху. Его автоматично випливає з положення про збереження маси і спостережуваного розширення. Так що якщо ми подумки вирушимо в минуле, нам доведеться констатувати все більш щільне речовина у Всесвіті все менших розмірів. І тоді в самому далекому минулому ми неминуче прийдемо до початку всього сущого, до акта одноразового створення первовселснной з усією її масою-енергією. Така, коротко, суть концепції «Всесвіту, що має початок».

Однак можна дати й іншу, альтернативну, інтерпретацію факту розбігання галактик. У 1946 р Ф. Хойл, Т. Бонді і Т. Голд (США) запропонували концепцію стаціонарної всесвіту, де немає в часі «дня народження» і тому не має віку (стаціонарної). Суть її полягає в припущенні існування деяких процесів, що призводять до безперервного витворення речовини у Всесвіті. На їхню думку, Всесвіт існував завжди, а розрідження речовини, обумовлене її розширенням, компенсується безперервним вічним творінням нового речовини.

Прихильником першої концепції був Джордж Гамов, американський фізик російського походження ( «неповерненець» в СРСР). У своєму варіанті космологічної моделі Гамов припустив, що ядра хімічних елементів могли утворитися в надзвичайно щільному і високоенергетичних (гарячому) нейтронном газі, який повинен існувати в «первинному пеклі». Частина нейтронів розпадається па протони й електрони, з яких потім збираються атоми водню. Ядра водню послідовно захоплюють додаткові нейтрони і протони з утворенням нуклідів інших елементів. Процес напрацювання хімічних елементів триває до тих пір, поки обсяг Всесвіту нс збільшиться настільки, що температура стане нижче порога ядерних реакцій. За Гамову, сверхгорячей стан, подібне ядерного вибухового процесу, просто необхідно для утворення звичного для людини набору хімічних елементів. З іншого боку, знання умов, при яких відбуваються ядерні реакції, дає інформацію про умови в «первинному пеклі».

Так перекриваються області інтересів космології та ядерної хімії. Атмосферу наукового суперництва ідей може передати невелика цитата зі статті С. Дж. Браша «Як космологія стала наукою»:

Хойл спробував принизити значення конкурента своєї теорії стаціонарного Всесвіту, назвавши цю нову версію «the big bang theory» (теорія великого бавовни), але ця спроба обернулася проти нього: фраза виявилася настільки виразною, що була прийнята послідовниками самої теорії.

На російську мову назва теорії Г.А. Гамова перекладають як «теорія Великого вибуху». За принципом протиставлення, для іншого критичного стану всесвіту і було запропоновано назву Великий розрив (у фізиків гарне почуття гумору, нс так?)

Вибір між концепціями треба було зробити на підставі порівняння теоретичних передбачень альтернативних моделей і спостережуваного будови об'єктів Всесвіту. Швидкість світла кінцева, тому чим далі від нас розташовані об'єкти, тим пізніше дійдуть до нас випущені ними електромагнітні випромінювання. Це означає, що близькі галактики ми бачимо майже такими, якими вони є. Від далеких галактик зараз до нас надходить інформація про стан, колишньому мільярди років тому. За висловом одного з фізиків, «Астрономія - це археологія в часі». Порівнюючи картини далеких і близьких галактик, можна отримати аргументи на користь вибору «правильної» концепції.

Згідно прихильникам стаціонарного Всесвіту, вона виглядає завжди однаково, так що далекі галактики не повинні відрізнятися від близьких. Спостереження говорять, що це не так. Зокрема, встановлено, що в минулому (т. Е. Для далеких галактик) зіткнення і злиття галактик відбувалися набагато частіше, ніж в сучасну епоху. З розвитком радіоастрономії були відкриті квазари - квазізвездние джерела радіовипромінювання гігантської світності. Виявляється, що всі квазари віддалені від нас настільки, що їх вважають найстарішими об'єктами, які ще можна спостерігати з Землі (через кінцівки швидкості світла). Серед близьких галактик аналогів квазарам немає. Наведені факти показують динамічність Всесвіту відповідно до концепції початкового творіння. Ще більше обгрунтування теорія Великого вибуху отримала в середині 60-х рр. XX ст., Коли було відкрито реліктове теплове випромінювання, що залишилося у Всесвіті, як загальний космічний фон, до сучасної епохи.

З повсякденного досвіду ми знаємо, що нагріті тіла випромінюють енергію. Досить згадати хоча б невеликий багаттячко, біля якого Ви сиділи в один з вечорів у Вашому житті. Тим більше повинно було випромінювати енергію екстремально нагріте речовина у Всесвіті малих просторових розмірів.

В силу обмеженості обсягу початкової Всесвіту, речовина і випромінювання (електромагнітні хвилі різних частот) неминуче повинно було бути в енергетичному рівновазі. Тому кажуть, що початкова Всесвіт була заповнена рівноважним тепловим випромінюванням. Квантова механіка передбачає, яку форму має спектр рівноважного теплового випромінювання абсолютно чорного тіла (далі в тексті - АЧТ) при різних температурах. Спектр випромінювання АЧТ описується формулою М. Планка:

де Т - температура випромінювача; до - постійна Больцмана;

з - швидкість світла;

е - основа натуральних логарифмів; v - частота електромагнітного випромінювання;

І - постійна Планка;

r v - спектральна щільність енергетичної світності випромінювача, що дорівнює енергії, випромінюваної за одиницю часу з одиниці поверхні випромінювача в одиничному інтервалі частот.

З формули Планка можна вивести всі експериментально спостережувані закономірності в спектрах нагрітих тел. До речі, відзначимо, що спектр АЧТ і формула Планка ніяк нс пов'язані ні з конкретним хімічним складом випромінювача, ні з його агрегатного стану. Формула (53) - одна з найбільш загальнофізичної формул, застосовна аж до екстремальних станів речовини.

Відповідно до теорії Планка в області високих частот випромінювання спектральна функція спадає пропорційно експоненті з показником (- hv / kT). В області близько нуля, при зростанні частоти, спектральна щільність світності зростає пропорційно квадрату частоти. Очевидно, що між зростанням і подальшим спадом є область максимальної світності. Положення максимуму світності на шкалі довжин хвиль і температура випромінювача пов'язані законом зміщення Віна:

де X * - довжина хвилі, на яку припадає максимальне світність в спектрі випромінювання;

Т - температура випромінювача; b - постійна Вина.

При екстремально високій температурі максимум світності припадав на область високоенергетичних гамма-випромінювання (освіта гелію з водню вимагає температури близько 10 10 До). У міру остигання Всесвіту, при її розширенні, область максимуму світності в спектрі повинна переміщатися в бік довгих хвиль. Гамов вважав, що для сучасної епохи рівноважна температура повинна бути близько 50 К. При такій температурі максимум спектра повинен знаходитися в області мікрохвильового (0,6 мкм) випромінювання.

Його опонент Хойл вказував, що таке значення не узгоджується з даними про температуру молекул циана CN, існуючих в міжзоряному середовищі. За оцінками, зробленими для циана, температура відповідає 2,3 К.

У 1964 р було відкрито космічне радіовипромінювання, несподіваною особливістю якого була «всснаправлснность». Незалежно від напрямку антени, його реєстрували з однаковою інтенсивністю з усіх боків і вдень і вночі як рівномірний мікрохвильовий шум. Від нього неможливо було позбутися, і спочатку його розглядали як перешкоду.

Пізніше було зрозуміле, що основні характеристики даного радіовипромінювання відповідають очікуваним для залишкового теплового випромінювання Великого вибуху. Щоб переконатися в тому, що відкрите изотропное випромінювання має безперервний спектр з максимумом і спадаючу гілка, було потрібно близько десяти років. До середини 70-х рр. XX ст. Планка характер випромінювання був достовірно встановлено, і в 1978 р А. Пензиас і Р. Вілсон (що виявили його в 1964 р) отримали Нобелівську премію. У 2006 р таку ж премію отримали Д. Мазер і Дж. Смут за рекордно точні вимірювання спектра реліктового випромінювання, що призводять до значення температури випромінювання 2,726 К. Це значення добре узгоджується з даними, отриманими з вимірів співвідношення ліній в спектрі молекул циана в космосі.

Присутність у Всесвіті изотропного і рівномірного мікрохвильового (в діапазоні 0,5-5 мм) фону вважають найважливішим наглядовою підтвердженням концепції Великого вибуху. Стаціонарна концепція Всесвіту була визнана неспроможною.

В кінці 80-х рр. минулого століття в СРСР проводився супутниковий космічний експеримент «Релікт», завданням якого був пошук невеликих неоднорідностей в розподілі фонового теплового випромінювання Великого вибуху. Вони повинні існувати як свідчення початкових невеликих неравномерностей в розподілі маси речовини протовселенной. Без них в теорії «не виходить» освіти локальних згущень, що породжують галактики і зірки.

У місцях скучивания маси локальне посилення гравітаційного поля має гальмувати фотони (згадаємо про їх динамічної масі), зменшуючи їх енергію. Тому фонове випромінювання цих областей повинно здаватися відносно холодним. У порівнянні з ними фонове випромінювання з областей розрідження маси буде здаватися «більш теплим». Нерівномірності структури в даний час повинні проявлятися на картах мікрохвильового випромінювання неба у вигляді плям, яким відповідають розрізняються температури. Деякі нерівномірності дійсно були відзначені.

Більш вірогідно існування варіацій реліктового теплового випромінювання було встановлено в 1992 р після запуску в США (1989 г.) космічного апарату СОВЕ. Це означає, що вже на початковій стадії розширення Всесвіту існувала «брижі» - флуктуації в розподілі маси-енергії по її обсягу. Подальше гравітаційне скучіваніе речовини породжує «космічні бульбашки», в яких відсутня речовина і «стінки бульбашок», що складаються з сверхскоплений і скупчень галактик.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >