proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2024 год
  Агентство  ПРоАтом. 28 лет с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





PRo IT
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС

Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия»
и сайта proatom.ru.
E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[14/09/2005]     О чем шепчет Вселенная?

А.А. Гриб, д. ф.-м. н., проф. каф. высшей математики СПбГУЭФ, проф. каф. теорет. физики и астрономии РГПУ им. А.И. Герцена, академик РАЕН, автор 120 научных статей и 8 монографий

С помощью американского спутника WMAP, специально нацеленного на исследование реликтового излучения, человечество услышало первый звук, произнесенный нашей Вселенной – т.н. сахаровские акустические колебания. По положению пиков этих колебаний можно судить и о значении постоянной Хаббла, а, значит, о возрасте Вселенной и плотности вещества в ней. Оказалось, что невидимого вещества во Вселенной во много раз больше, чем видимого. Человечеству известно на сегодня не более 4% вещества и полей.

В 1922 г. профессор Петроградского Политехнического института, работавший в Главной физической обсерватории, Александр Александрович Фридман пытается вывести «Уравнение Мира». Блестящего математика интересовал вопрос, как Вселенная развивается во времени. В математический аппарат общей теории относительности Эйнштейна (стационарной «Вселенной Эйнштейна») он вводит два фактора – «антитяготение» («Первый толчок») и тяготение – всемирный закон Ньютона, и находит решение, описывающее расширяющееся пространство. Сам Эйнштейн такое решение не нашел, а возможно, и не хотел найти.

Фридман обнаруживает, что пространство Вселенной расширяется, а, значит, в прошлом было какое-то начало, возможно, просто точка, с которой все началось. Ученый, получивший формулу «Жизни Вселенной», устанавливает полную массу Вселенной, равную 5•1021 масс Солнца – «Масса Мира» и «Время Мира», равное 10 миллиардам лет.

По данным спутника WMAP возраст нашей Вселенной составляет 13,7 млрд лет.

А. Эйнштейн к работе А. Фридмана отнесся вначале отрицательно, и даже написал негативный отзыв, ссылаясь на то, что в работе петроградского ученого допущена ошибка. Но после объяснений Юрия Круткова, одного из ближайших друзей и соратников Александра Фридмана, побывавшего в Берлине с его письмом, в котором молодой физик настойчиво отстаивал свою точку зрения на «кривизну Мира, изменяющегося во времени», Эйнштейн согласился с его расчетами. И в журнале «Zeitschrift fur Physik» опубликовал статью с подтверждением правильности вывода Фридмана о существовании нестационарного решения уравнения Эйнштейна. Но ни слова не было сказано о том, что советским ученым совершено великое открытие нового взгляда на Вселенную. Объяснялось это физическими взглядами Эйнштейна, считавшего, что Вселенная стационарна, существует вечно и бесконечна.

В 1927 г. бельгийский католический священник, астроном Жорж Леметр, не зная о работе Фридмана, переоткрыл его решения. Его уравнение описывало поведение расширяющегося пространства – разбегание галактик. По сути, в 1927 г. Леметр открыл закон Хаббла, выражающий линейную зависимость скорости разбегания скоплений галактик в зависимости от расстояния до них.

Гипотезу «разлета» галактик Леметр обсуждал с американским астрономом Эдвином Пауэллом Хабблом. И в 1929 г. Хаббл открыл расширение Вселенной фундаментально, обнаружив, что далекие от нас галактики отдаляются, причем с тем большей скоростью, чем дальше они от нас находятся.

Открытию 1929 г. сопутствовали два курьеза. Так как расстояния до других галактик были определены неправильно, Хаббл неверно определил свою постоянную в законе Хаббла (500 км/с•Мпс). Кроме того, американский астроном наблюдал расширение Вселенной в близких к нам галактиках.

О существовании работы Фридмана, опубликованной в немецком физическом журнале «Zeitschrift fur Physik» (авг. 1922 г.), не знавший немецкого языка Леметр, узнал только в 1929 г. после открытия Хаббла. И в 1931 г. появилась работа Леметра (со ссылкой на результаты исследований А. Фридмана), где начало Вселенной он рассматривал как квантовое явление распада первоатома очень больших размеров, в результате которого образовались все галактики.

После открытия Хаббла Эйнштейн изменил свою точку зрения по поводу стационарности Вселенной. Совместно с Де Ситтером он предложил еще одну модель расширения Вселенной – модель Эйнштейна – Де Ситтера, наиболее близкую к сегодняшнему варианту. На этом спор между Эйнштейном и первооткрывателем расширяющейся Вселенной закончился.

Тем не менее, до середины 60-х годов XX столетия отношение к космологии оставалось не очень положительным. Во-первых, потому, что значение постоянной Хаббла противоречило опыту. Величина, обратная постоянной Хаббла, – время существования Вселенной оказалось меньше возраста Земли! Так продолжалось до середины 60-х годов, когда астрономам удалось более точно определить расстояния до галактик. В результате спора между двумя известными астрофизиками Сендреджем и Вакулером постоянная Хаббла была определена в пределах 50–100 км/с•Мпс. С помощью спутника WMAP значение Н было уточнено: 75 км/ с•Мпс.

В 1965 г. было открыто реликтовое излучение – фоновое космическое излучение, которое идет на Землю со всех сторон из Вселенной. Вся Вселенная светится в радиодиапазоне (на длинах волн от нескольких мм до десятков см). Это было обнаружено инженерами Пензиасом и Вильсеном с помощью радара. Попытки экспериментаторов обнаружить источник излучения окончились неудачей. Теоретики, в частности Дикке, объяснили, что им удалось увидеть реликтовое излучение – первозданный свет, который существовал еще до появления звезд.

Существование этого света было предсказано в 1947 г. в работе Георгия Гамова и Альфреда Германа. Г. Гамов, в некотором смысле ученик А. Фридмана, взяв за основу его теорию расширяющейся Вселенной, создал математическую теорию «горячей Вселенной», посчитав, что когда-то она должна была существовать при очень высокой температуре. А это значит, что небо, которое сегодня мы видим черным, на заре Вселенной было красным с постепенным переходом в видимый диапазон. Когда происходил этот переход – эра рекомбинации, температура реликтового излучения сравнялась с температурой Солнца (6000К). Сегодня температура реликтового излучения составляет всего 2,7К. Поэтому мы его не ощущаем.

В ранней Вселенной, представлявшей собой огненный шар, заполненный первозданным светом, реликтовое излучение очень сильно взаимодействовало с веществом. Поэтому никаких галактик, звезд, планет, тем более живых, не было и не могло быть.

В 1965 г. два английских математика Пенроуз и С.У. Хокинг доказали очень интересную теорему о неизбежности сингулярности Вселенной – начального сверхплотного ее состояния, начала времени.

С точки зрения математики сингулярность понималась следующим образом. В теории относительности у разных объектов разные линии времени. Необычным свойством линий времени является то, что они могут обрываться. Если бы оно было бесконечно, оно и в прошлом тянулось бы бесконечно. Но время обрывается как ветвь. И этот обрыв называется сингулярностью. Физическая суть доказательства неизбежности сингулярности заключается в следующем. Поскольку Вселенная расширяется, плотность ее в прошлом должна быть очень большой. Линии времени, уходящие в прошлое, подобны солнечным лучам света. А свет обладает свойством фокусировки. Доказательство сводится к тому, что эти линии фокусируются в прошлом, т.е. обрываются в некоторой точке, которая называется сингулярностью. Таким образом, если Вселенная расширяется, и плотность вещества в ней изменяется, то в прошлом обязательно должно было быть начало.

До 1965 г. господствовало мнение, что Вселенная бесконечна, а значит, и во времени будет существовать вечно. Даже Ландау и Лившиц в своей книге 1962 г. написали неверный параграф, который впоследствии изменили. По их мнению, время жизни Вселенной бесконечно. Позднее было доказано, что это решение неправильное.

С открытием реликтового излучения было положено начало изучению его свойств, поскольку излучение приходит из очень разных точек Вселенной. Благодаря развитию наблюдательной техники в астрономии сегодня удается видеть огромное число галактик. Но то, что мы наблюдаем, относятся к не очень ранней Вселенной. Эти области соответствуют Вселенной, примерно в два раза меньшей, чем современная Вселенная. И только реликтовое излучение позволяет заглянуть во времена, близкие к началу Вселенной, обратиться к эпохе порядка 300 тысяч лет от начала Мира.

От тех далеких «горячих» времен перенесемся в мир сегодняшний, к открытиям, совершенным недавно. Откуда взялись галактики? Многие теоретики, в том числе, Яков Борисович Зельдович развивали теорию происхождения галактик. Если температура реликтового излучения в прошлом была очень велика, никаких галактик быть не могло. Они возникли позднее. Современный сценарий развития Вселенной следующий.

Ранняя Вселенная состояла из света и элементарных частиц – пар частиц. Когда температура света упала, во Вселенной возникли области, в которых смогли сформироваться галактики. В связи с неоднородностью гравитационного поля в области с более сильной гравитацией частицы вещества, а также скрытые массы втягивались. И там образовались первые сгустки. В силу явления Джинсовской неустойчивости эти сгустки притягивали к себе другое вещество. Сгусток стал расти, образовались протогалактики. В своей книге по космологии Я.Б. Зельдович и С.П. Новиков указали, что в реликтовом излучении на уровне 10-3–10-4 должны наблюдаться пятна. Иначе откуда, по их мнению, могут появиться галактики? То есть вещество во Вселенной должно быть распределено неравномерно. Но в 70–80 гг. никаких неоднородностей ни теоретики, ни экспериментаторы не увидели. Оказалось, что авторы «Космологии» не учли еще один очень серьезный момент. Как выяснилось, буквально, в последние годы, наша Вселенная в основном состоит из вещества невидимого, не из того, из которого состоим мы сами, или которое, в том или ином виде, присутствует на Земле и на Солнце.

С конца XIX в. считалось, что Вселенная состоит из того же вещества, что и Земля. Например, гелий первоначально был открыт на Солнце, а позднее его обнаружили и на Земле. Теперь же обнаружили т.н. «скрытую массу». О ее существовании догадывались, наблюдая вращение спутников – звездных систем вокруг галактик. Тяготение, соответствующее наблюдаемому вращению, явно указывало на наличие некой дополнительной невидимой массы. «Невидимой» – потому что она не взаимодействует со светом. Свет проскакивает через эту массу, как через пустоту. Невидимые, скрытые массы были обнаружены в двух других галактиках, в областях между галактиками.

И еще одно из последних сенсационных открытий: оказалось, что галактики не просто «разлетаются», а разлетаются с ускорением. Открытие этого ускорения привело астрофизиков к выводу, что во Вселенной присутствует еще одна форма материи, соответствующая космологической постоянной, – то, что теперь называется вакуумным веществом.

Наличие вакуумного вещества и скрытой массы во Вселенной и привели к ошибке Зельдовича и Новикова, предлагавших искать пятна неоднородности там, где их и быть не должно. Только после открытий, сделанных с помощью американского спутника WMAP, было обнаружено, что эти пятна действительно существуют, на уровне 10-5. Затем были проведены эксперименты по изучению реликтового излучения с помощью аппарата «Бумеранг», летавшего над Антарктидой, и затем спутника WMAP.

Какую же картину представили последние полученные данные? Если реликтовое излучение – это первый свет, до образования звезд, то с помощью спутника WMAP мы услышали первый звук Вселенной.

Его существование было предсказано А.Д. Сахаровым. Физик с гениальной интуицией, А.Д. Сахаров так описывал эру новорожденной Вселенной: 300 тыс. лет от начала Мира. Не было никаких галактик и звезд, не было планет, ничего… В огненном шаре равномерно были распределены частицы вещества, которые фотоны расталкивали по всему пространству. Но температура упала, если вещество стало сжиматься в сгустки. Частицы вещества приближаются друг к другу, а фотоны создают отрицательное давление и частицы снова удаляются, создавая, таким образом, колебания, то есть звук. И в тех местах, где амплитуда этих колебаний больше, образовались будущие галактики.

Если расшифровать этот «звук», то что говорят нам эти галактики? Можем ли мы их услышать? На самом деле, это инфразвук, сказанный «шепотом», потому что длина волны его порядка горизонта.

Журнал "Атомная стратегия" № 18, август 2005 г.  

 
Связанные ссылки
· Больше про Физики и Мироздание
· Новость от Andrew


Самая читаемая статья: Физики и Мироздание:
Падают ли тела на Землю с одинаковым ускорением?

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 0
Ответов: 0

Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

Извините, комментарии не разрешены для этой статьи.





Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.05 секунды
Рейтинг@Mail.ru