конспект лекций, вопросы к экзамену

Большой взрыв и эволюция Вселенной. Тёмная материя и тёмная энергия.

Эволюция вселенной – термин, принятый для обозначения теорий возникновения и развития Вселенной. Современная картина Вселенной возникла только в 20 веке, когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что кроме нашей Галактики существует много других, разделенных пустым пространством. Измеряя светимость звезд известного тепла в этих галактиках, Хаббл смог измерить расстояние до них. В 1929 году Хаббл сообщил научному сообществу, что все линии спектра этих звезд сдвинуты в красную сторону, причем величина этого смещения пропорциональна расстоянию до галактики (красное смещение). Смещение длин волн к красному концу спектра означает, что источник излучения удаляется от нас – причем чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется.

Сама по себе ньютоновская теория всемирного тяготения делает невозможной статичную Вселенную (согласно теории, например, звезды должны притягиваться друг к другу, то есть оставаться неподвижными они не могут). Интересно, что до начала 20 века никому не пришло в голову, что Вселенная может расширяться или сжиматься – все считали, что она либо существовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-то момент в прошлом примерно в таком состоянии, в котором она пребывает сейчас. Когда большинство людей верило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало или нет, относился к области метафизики и теологии. Но в 1929 году Эдвин Хаббл сделал свое открытие: оказалось, что в какой бы части неба мы ни вели наблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас, т.е. Вселенная расширяется, а в более ранние времена все объекты были значительно ближе друг к другу, чем сейчас. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о возникновении Вселенной в область компетенции науки. Наблюдения Хаббла свидетельствовали о том, что было время – так называемый Большой Взрыв (БВ), когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной, при таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют предсказать будущее. БВ можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы не определены.
Предположим, что Вселенная, наоборот, расширяется если бы расширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационной силы оно бы в итоге прекратилось и перешло в сжатие, однако если бы скорость расширения превышала некоторое критическое значение, то гравитационного взаимодействия не хватило бы, чтобы остановить расширение, и оно продолжалось бы вечно.

Это похоже на движение ракеты. Если скорость ракеты не очень велика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падать обратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической (около 11 км/с), то гравитационная сила не может вернуть ее, и ракета продолжает свое движение от Земли.

Экспериментальный результат, полученный Хабблом, в 1922 году был предсказан русским физиком Александром Фридманом. Ему удалось придать уравнениям ОТО такую форму, из которой следовало, что Вселенная не может быть статичной, а должна расширяться, причем эта Вселенная выглядит одинаково – откуда бы и в каком направлении мы ни смотрели. Из модели следовало, что должен существовать начальный момент расширения Вселенной – это момент, когда ее радиус обращается в ноль, а плотность вещества становится бесконечно большой. Такое состояние Вселенной сегодня называется сингулярностью. Бааде, Сэндейдж и другие астрономы, продолжая исследования Хаббла, показали, что увеличение скорости разлета галактик с расстоянием составляет 15 км/с на миллион световых лет – эта величина получила название постоянной Хаббла. Зная ее, нетрудно было подсчитать время, когда Вселенная начала расширяться, а если время существования Вселенной умножить на скорость света, можно получить величину, называемую горизонтом событий (воображаемая граница в пространстве-времени, разделяющая события, которые можно соединить светоподобными линиями, и те события, которые так соединить нельзя; грубо говоря, это граница, откуда свет к нам приходит, а за ней – уже не доходит до нас). Поскольку в соответствии с теорией относительности невозможна передача сигналов со скоростью, превышающей световую, никакое событие, находящееся за пределами этого горизонта, не может оказать на нас никакого влияния. Горизонт событий – это фактическая граница нашей расширяющейся Вселенной.
В 1965 году американские физики Пензиас и Вильсон испытывали очень чувствительный сверхвысокочастотный (СВЧ) детектор. Они заметили, что уровень шума, регистрируемого детектором, намного выше, причем этот шум не был направленным. Кроме того, шум был одинаковым в течение года, несмотря на то, что Земля вращается вокруг своей оси и продолжает свое вращение вокруг Солнца. Это означало, что источник излучения находится за пределами Солнечной системы и даже за пределами Галактики, иначе интенсивность излучения изменялась бы, поскольку в связи с движением Земли детектор меняет свою ориентацию. По пути к нам излучение проходит почти через всю наблюдаемую Вселенную, а раз оно одинаково во всех направлениях, то и сама Вселенная одинакова (по крайней мере в крупном масштабе) – так Пензиас и Вильсон дали подтверждение предположению Фридмана, открыв реликтовое излучение.

Согласно модели Фридмана, в момент прошлого, когда расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю, который называют БВ, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными. Это означает, что, согласно ОТО, на которой основаны решения Фридмана, во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима – такая точка в математике называется сингулярной. Все наши научные теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны в сингулярной точке БВ, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Следовательно, даже если бы перед БВ происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, т.к. в точке БВ возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, что произошло после БВ, мы не можем узнать, что происходило до него.
Теория Большого взрыва (теория «горячей Вселенной»). «Горячая Вселенная» потому, что только очень горячее прошлое может заставить всю энергию видимой Вселенной сжаться до крошечных объемов. Сердце Солнца раскалено, т.к. вся содержащаяся в нем материя раздавлена собственной гравитацией Солнца. Сжав всю видимую Вселенную до размеров Солнца, вы получите еще один уровень «горячей Вселенной». «Большой», потому что взрыв включает в себя всю видимую Вселенную. И, наконец, «взрыв», потому что последовавшее затем расширение делает его похожим на взрыв в нашем прошлом, сразу после рождения Вселенной.

 

Любому свету, исходящему из более отдаленного источника, понадобилось бы преодолеть более 13,8 млрд лет (предполагаемый возраст нашей Вселенной), чтобы достигнуть нас. Но более 13,8 млрд лет назад свет не мог свободно распространяться – он застревал, вся Вселенная была тогда слишком плотной. Свет смог свободно перемещаться сквозь пространство и время только 13,8 млрд лет назад, и поверхность последнего рассеяния – отпечаток, сохранивший данный момент. Рассматриваемая оттуда, она знаменует собой начало прозрачного пространства-времени. Наблюдаемая с Земли, она очерчивает края видимой Вселенной. В некотором смысле эта поверхность – наш космический горизонт. Мы не можем видеть дальше (по крайней мере с Земли).

Теория БВ в наиболее ранних стадиях возникновения Вселенной –  предмет исследований современной космологии. Долгое время оставалось неясным, почему при БВ были преодолены силы гравитации, которые должны были бы препятствовать разлету больших масс вещества. Так, два советских физика Лифшиц и Халатников в 1963 году делали попытку исключить БВ и начало времени Вселенной, составляя модели, значительная часть которых не была, как у Фридмана, «завязана» на сингулярности (по их моделям БВ был возможен только при определенном движении галактик, т.е. в весьма малом проценте случаев). Лифшиц и Халатников утверждали, что БВ не было, однако позже они нашли более общий класс моделей фридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых не требуется, чтобы галактики двигались определенным образом. Поэтому в 1970 году Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.

 

Незадолго до этого, в 1965 году английский математик и физик Роджер Пенроуз вывел теорию, согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапса должно в конце концов сжаться в сингулярную точку. Стивен Хокинг предположил, что если в теореме Пенроуза изменить направление времени на обратное, то теорема тоже будет верна, т.к. Вселенная приближенно (хоть и грубо) описывается в крупном масштабе моделью Фридмана. По теореме Пенроуза конечным состоянием любой коллапсирующей звезды должна быть сингулярность, при обращении времени эта теорема утверждает, что в любой модели фридмановского типа начальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. Так в 1970 году Пенроуз и Хокинг написали совместную статью, в которой доказали, что сингулярная точка БВ должна существовать, опираясь только на то, что верна ОТО и что во Вселенной содержится столько вещества, сколько мы видим.

 

В течение времени от нескольких десятков секунд до десяти минут во Вселенной шли реакции первичного нуклеосинтеза – возникли ядра гелия и некоторых других атомов. В результате наша Вселенная, если говорить об обычном веществе, примерно на 3/4 состоит из водорода и на 1/4 из гелия. Однако темного вещества по массе в пять раз больше. Именно благодаря ему, а не видимой материи структура Вселенной стала такой, какой мы ее знаем.

 

За млрд лет Вселенная превратилась в мир, наполненный галактиками, состоящими из сотен млрд звезд. Благодаря ядерным реакциям в звездах возникли тяжелые элементы, поэтому вокруг звезд вращаются планеты, в том числе из камней и железа. У этих планет могут быть кислородные атмосферы, потому что за время жизни Вселенной в недрах звезд смогло появиться достаточно много этого вещества. А на поверхности планет могут обитать белковые формы жизни, потому что звезды обеспечили синтез элементов, необходимых для этого, а также дают свет и тепло планетам. Физики уверены в том, что Вселенная возникла в состоянии высокой плотности и температуры. Первые доли секунды не могли существовать даже многие элементарные частицы. Однако уже к первой секунде обычное вещество во Вселенной представляло собой горячую плазму, заполненную излучением. Именно плотность излучения определяла тогда динамику нашего мира (вклад обычного и темного вещества, а также темной энергии был существенно меньше).

 

Сейчас мы знаем, что примерно половину своей жизни, около 7 млрд лет, Вселенная расширялась с замедлением, а последние 7 млрд лет все быстрее и быстрее. Интерпретация этого результата остается предметом споров и исследований, однако основной гипотезой является существование темной энергии. Мы не знаем ее природы, это может быть некое физическое поле, а может быть свойство нашего вакуума. Но в любом случае повсюду она имеет одну и ту же плотность и обладает отрицательным давлением. Последнее свойство позволяет ей работать как антигравитация (но это все происходит в рамках ОТО, т.е. речь не идет о настоящей антигравитации, подобной отталкиванию зарядов одного знака в электродинамике).

 

Как полагают ученые, Вселенная примерно на 70% состоит из темной энергии, на 25% – из темного вещества и лишь на 5% из обычной (барионной) материи. Электромагнитное излучение, а также нейтрино и другие виды частиц вносят лишь незначительный вклад в полную плотность. Поэтому динамика нашего мира в больших масштабах определяется в наши дни именно темной энергией. Понятная нам материя составляет лишь 5% Вселенной. Все остальное – странное, темное и непонятное, и предположений о его природе, взаимодействии и влиянии пока нет.

 

В 1933 году астроном Фриц Цвикки измерил радиальные скорости восьми галактик в созвездии Волосы Вероники. Расчеты показали, что видимого вещества там в десятки раз меньше, чем нужно, чтобы сила тяготения удерживала галактики вместе – значит, есть что-то невидимое, но воздействующее своей массой. Такие массивные объекты, как галактики и их скопления, искривляют лучи света, исходящего от звезд, находящихся за ними (как описано теорией относительности). Но гравитации видимых космических тел не хватает на то, чтобы свет искривлялся так, как это показывают наблюдения. Следовательно, во Вселенной есть некая субстанция, обладающая массой, но ускользающая от других наблюдений – эта материя не излучает ни видимый свет, ни другие волны, ее нельзя пощупать, увидеть или изучить в ускорителе. Так появился термин «темная материя». До сих пор не ясно, что представляет собой темная материя и из чего она состоит – есть десятки самых разных предположений. Наиболее популярный претендент на роль темной энергии – так называемый вимп (Weakly Interacting Massive Particle), эти гипотетические частицы могут обладать массой в десятки раз больше массы протона, который принимает участие в термоядерных реакциях – основном источнике энергии, генерируемой звездами. Большинство существующих сегодня гипотез предполагают, что темная материя довольно проста – много массы и больше ничего такого. Однако есть и теории, предполагающие сложное устройство темного мира: в 1966 году советские физики Кобзарёв, Окунь и Померанчук предположили наличие «зеркальных» частиц, которые не взаимодействуют с обычными – фактически речь идет о возможности параллельной Вселенной. Уже в 2007 году Лев Окунь писал, что невидимый зеркальный мир может сосуществовать с нашим миром в одном и том же пространстве, правда, он бы выдал себя за счет гравитации.

Сейчас в CERN идут эксперименты по поиску темных фотонов – переносчиков взаимодействия внутри темной материи.

Будущее Вселенной в первую очередь зависит от эволюции темной энергии. Если она не будет изменяться, то ее вклад будет расти – Вселенная будет расширяться все быстрее. Но не исключено, что темная энергия будет видоизменяться, некоторые космологические модели допускают ее распад, превращение в другие формы материи. Тогда произойдет возврат к предыдущей стадии, и расширение Вселенной будет замедляться.

24.12.2019; 08:00
просмотров: 34