Читать «Физика элементарных частиц материи» онлайн - страница 68

Расширение Вселенной??!

20-е годы 20 г^о века были очень важными для развития современной астрономии. Ещё в 1848 г французский физик Арман Физо, в статье “Des effets du mouvement sur le ton des vibrations sonores et sur la longueur d’ondes des rayons de lumiere” (“Bull. de la Societé philomatique”, доказал на простом акустическом опыте реальность принципа Доплера, и, проводя аналогию между тонами и цветами, указал на возможность смещение линий в спектрах небесных светил, если существует относительное перемещение (по направлению луча зрения) светового источника и наблюдателя. Примерный расчёт такого смещения Физо сделал в этом же 1848 г. для Венеры. Это явление получило название “красного смещения”. Сэр Уильям Хаггинс, http://ru.mobile.wikipedia.org/wiki/7_%D1%84%D0%B5%D0%B2%D1%80%D0%B0%D0%BB%D1%8Fанглийский астроном, одним из первых использовал принцип Доплера – Физо для определения лучевых скоростей звёзд. В1868 году он измерил лучевую скорость Сириуса. В начале 20 г^о века американский астроном Весто Слайфер, изучая спектры отдалённых туманностей, заметил поразившую его закономерность, – чем дальше от нас расположена галактика, тем сильнее линии в их спектрах были смещены к красному концу. Учёные того времени полагали, да и сейчас полагают, что это явление происходит в результате эффекта Доплера, и все космические тела разлетаются. Весто Слайфер первым измерил высокие лучевые скорости шаровых скоплений и спиральных туманностей. В 1913 г. он получил для туманности Андромеды М31 значение лучевой скорости, равное 300 км/с. Опыты Слайфера показали, что согласно спектрограммам большинство галактик (36 из измеренных им 41) удаляется, и скорость удаления доходит почти до двух тысяч километров в секунду. Открытие Слайфером огромных пространственных скоростей галактик явилось наблюдательной основой для теорий расширяющейся Вселенной. Альберт Эйнштейн, решил выразить структуру Вселенной одним законом. Используя работы Х. Лоренса, А Пуанкаре и других учёных, разработал учение, называемое «О́бщая тео́рия относи́тельности»(ОТО). Это геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Эйнштейном в 1915–1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого́ пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей. Общая теория относительности устанавливала связь материальных тел, пространства-времени и гравитации. Согласно этой теории, под воздействием массы и энергии тел, пространство (точнее говоря, пространство-время) искривляется, что, в свою очередь, приводит к искривлению траекторий тел, что и воспринимается нами как проявление тяготения. Интересно отметить, что автор теории относительности Эйнштейн вначале считал, что космологическое решение уравнений поля должно быть статично и привести к замкнутой модели Вселенной. Сразу же после возникновения теории относительности ее создатель попытался применить ее к Вселенной в целом, но эта попытка оказалась безуспешной. Учёный мир не сразу принял ОТО, но она удовлетворяла всем требованиям того времени. С 1915 года ОТО начала своё победное завоевание мира физики. В 20х годах в мире уже бушевал настоящий бум вокруг новой теории. Начался он в 1919 году, сразу после подтверждения английскими астрономами предсказанного Эйнштейном отклонения лучей света от далеких звезд вблизи Солнца. Предсказание эффекта гравитационной фокусировки лучей. Эффект гравитационной линзы был предсказан А. Эйнштейном, который в 1915 в рамках общей теории относительности впервые правильно вычислил угол отклонения луча света в гравитационном поле компактного объекта. Во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года английские астрономы измерили отклонение света звезд, проходящего вблизи поверхности Солнца: смещение изображений звезд составило 1,75'' в полном согласии с предсказанием Эйнштейна. Изучать Общую теорию относительности в России до 1920 года было трудно: ни иностранных публикаций, ни обзоров в отечественных журналах не было, но триумф теории относительности все-таки достиг России. Начали появляться популярные брошюры о новой теории, например, в виде работ физика Фредерикса. Именно ему принадлежит первое в России изложение общей теории относительности. Его обзор 1921 года в "Успехах физических наук", как и еще несколько статей, посвященных общей теории относительности, помогли русским физикам ознакомиться и изучить это учение. Одной из первых была книжка самого Эйнштейна на русском языке. Всё это, несомненно, помогло русским учёным ознакомиться и изучить новую теорию. В числе таких учёных оказался и талантливый русский математик А. Фридман. Фридман изучил теорию и у него возник свой взгляд на решение мировых уравнений Эйнштейна. Если Эйнштейн рассматривал стационарное искривление пространства, то Фридман исследовал нестационарные, зависящие от времени изменения кривизны пространства. Ученый исследовал нестационарные однородные изотропные модели с пространством положительной кривизны, заполненным пылевидной материей (с нулевым давлением?). Но у пространства нет такой характеристики как кривизна! Нестационарность рассмотренных моделей описывается зависимостью радиуса кривизны и плотности, от времени, причем плотность изменяется обратно пропорционально кубу радиуса кривизны. Фридман выяснил типы поведения таких моделей, допускаемые уравнениями тяготения, причем модель стационарной Вселенной Эйнштейна оказалась действительно лишь частным случаем. Он опроверг мнение о том, что общая теория относительности требует допущения конечности пространства. Решив уравнения эйнштейновской теории гравитации с учетом космологического принципа, Фридман показал, что, согласно этим уравнениям, Вселенная не может быть неизменной, в зависимости от начальных условий она должна либо расширяться, либо сжиматься. Его выводы были настолько необычны, что Эйнштейн сначала не согласился с ним. Сочтя его космологическую картину неправдоподобной, он без труда, но, увы, и безо всякого основания нашел мнимую ошибку в вычислениях петроградского ученого. В сентябре 1922 года он критиковал работу Фридмана: "Результаты относительно нестационарного мира, содержащиеся в упомянутой работе, представляются мне подозрительными. В действительности оказывается, что указанное в ней решение не удовлетворяет уравнениям поля". Только получив письмо от Фридмана, отстаивающего свою правоту, и проделав еще раз вычисления, Эйнштейн в мае 1923 года признал результаты русского коллеги и в специальной заметке назвал их "проливающими новый свет" на космологическую проблему. Александр Фридман чистый математик. Он просто как математик критически рассмотрел математические выкладки Эйнштейна и показал, что «мировые уравнения» имеют другие решения. По существу же результаты этих решений это обоснование однородности распределения вещества в пространстве и, как следствие, об однородности и изотропности пространства-времени; т. е. о существовании «мирового» времени, для которого в каждый момент метрика пространства будет одинакова во всех точках и по всем направлениям. Но пока что это ещё не было теорией. Бельгийский священник и астроном Жорж Леметр, ознакомившись во время пребывания в США с исследованиями В. Слайфера, Э. Хаббла и X. Шепли по красному смещению галактик, в 1927 г. опубликовал свое объяснение этого явления. Наблюдаемое спектроскопически, разбегание галактик, он отождествил с расширением Вселенной. Леметр первым признал значение работы Фридмана, как космологическое учение. На основании расчетов Фридмана он пришел к выводу, что Вселенная имела начало, а расширение было вызвано чем-то, что сыграло роль пускового механизма. Он также отмечал, что, измерив уровень радиации, можно определить последствия данного явления. Но это были только единичные работы и всемирного признания расширения Вселенной не было. В середине1929 года в журнале «Труды» Национальной академии наук США Эдвин Хаббл, который тоже изучал отдалённые галактики, представил небольшую заметку под названием «О связи между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Простое сопоставление скоростей туманностей с их расстояниями несомненно свидетельствовало о том, что искомая связь существует и вводимый в кинематические уравнения К-член должен быть пропорциональным расстоянию. По данным Хаббла, коэффициент в К-члене составлял около 500 ^км/_с на каждый мегапарсек (последние измерения показали, что этот коэффициент равен 67,15 км/с. на мегапарсек). Это означало, что галактики разлетаются друг от друга и их скорости линейно увеличиваются с расстоянием. Вскоре эта зависимость была названа законом Хаббла, а коэффициент пропорциональности – постоянной Хаббла и в его честь стала обозначаться индексом «Х». Вот после 1929 года решение мировых уравнений Эйнштейна Фридманом было признано как передовая космологическая теория, которая на то время удовлетворяла всем течениям науки. Это был триумф космологии Александра Александровича Фридмана. Но, если Вселенная увеличивается с течением времени, то возвращение назад во времени означало бы, что она будет уменьшаться, и, если вернуться назад достаточно далеко, Вселенная уменьшится до такой степени, что сосредоточится в единой точке. Из этой модели можно было сделать следующий вывод: в определенный момент вся материя и энергия Вселенной были заключены в одной точке, которая вследствие огромной гравитационной силы имела нулевой объем. Наша Вселенная возникла в результате взрыва этой точки. Взрыв получил название Большого Взрыва. Следует отметить еще один очень важный момент, на который указывал Большой Взрыв. Сказать, что нечто имеет нулевой объем – все равно, что сказать, что это нечто есть "ничто". Вся Вселенная, таким образом, была создана из ничего. Следовательно, 1.Вселенная имела начало, а не существовала, как утверждают материалисты, вечно. 2. Вселенная не бесконечна. Если Вселенная имела начальный объём, как утверждает, Леметр, то она или опять вернётся в рамки этого объёма, или же разлетится и погибнет. А так-ли это? Я считаю, что ОТО это математическое сочинение Эйнштейна, в котором он использовал достижения науки того времени. Давайте проведём небольшой опыт. В нашем распоряжении имеются несколько геометрических фигур.