Естествознание
10 класс

§ 73. Рождение вселенной

Никто еще не проник в тайну великого начала...
Омар Хайям

Стационарна ли Вселенная? С чего все началось? Что первично: элементарная частица или атом? Какими свойствами обладает физический вакуум? Какие наблюдения подтверждают гипотезу Большого взрыва?

Урок-лекция

Изучив процессы самоорганизации на примере некоторых свойств биологических систем, обращаемся к рассмотрению систем мегамира. Развитие Вселенной как целого изучает космология — наука, которая сейчас активно развивается.

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА И КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл, изучая спектры галактик, установил, что линии поглощения в этих спектрах существенно смещены по длине волны в красную сторону (в направлении более длинных волн по сравнению со стандартными лабораторными спектрами). Этот эффект, названный красным смещением в спектрах далеких галактик, объясняется на основании эффекта Доплера как следствие удаления галактик друг от друга.

Эффект Доплера состоит в том, что если источник излучения движется относительно приемника излучения со скоростью о, то вместо излучения на длине волны λ0 приемник регистрирует излучение с длиной волны λ, так, что выполняется соотношение

(λ — λ0) / λ0 = v/с,

где v — скорость источника относительно приемника, с — скорость света. Длина волны увеличивается, если источник удаляется от приемника, и соответственно уменьшается при их сближении.

Хаббл установил, что скорости удаления далеких галактик к пропорциональны расстояниям до них — r. Коэффициент пропорциональности был назван впоследствии постоянной Хаббла — Н. Эта закономерность получила название закона Хаббла:

v = Н • r.

Обычно космические расстояния измеряют в парсеках (1пк = 3,26 св. г.), мегапарсеках (Мпк), скорость удаления галактики — в км/с, тогда Н составляет примерно 75 (км/с)/Мпк.

Сальвадор Дали. Отче наш

Разбегание галактик может быть объяснено расширением всей Вселенной. Таким образом, наблюдения Хаббла впервые установили ее нестационарность.

Незадолго до открытия Хаббла, в 1922 г., российский ученый Александр Фридман, работавший в то время в Ленинграде, теоретически показал невозможность существования стационарной Вселенной и рассчитал возможные варианты ее эволюции, которые сейчас называют моделями Фридмана. Согласно этим моделям, если средняя плотность Вселенной превосходит некоторое критическое значение 10-29 г/см3, то через некоторое время под действием гравитации начнется процесс сближения галактик и схлопывания Вселенной. Если средняя плотность Вселенной меньше критической, то ее ожидает бесконечное расширение. И только в случае равенства средней плотности вещества Вселенной и критической плотности расширение Вселенной через какое-то время замедлится и остановится.

Появились модели Вселенной, объясняющие ее расширение действием так называемого физического вакуума, важнейшим свойством которого является антигравитация.

ГИПОТЕЗА БОЛЬШОГО ВЗРЫВА. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ. Наблюдаемое расширение Вселенной можно трактовать как следствие первоначального Большого взрыва, произошедшего в начале существования нашей Вселенной. Согласно современным данным произошло это примерно 14 млрд лет тому назад. В первые мгновения Вселенная была очень горячей и плотной (Т > 1030К, р > 1093 г/см3 и выше), наполненной излучением и рождающимися и аннигилирующими элементарными частицами и их античастицами. Далее, в расширяющейся и остывающей Вселенной остались электроны, ядра атомов водорода, гелия, а также дейтерия и лития в незначительных количествах. При остывании Вселенной электроны и ядра стали объединяться в атомы (эпоха рекомбинации и отделения излучения от вещества при Т≈4000 К) (рис. 94). Через миллионы лет в уже холодной, разряженной Вселенной началось формирование галактик из-за гравитационной неустойчивости облаков газа. В галактиках родились звезды первого поколения, в состав которых входили в основном водород и гелий.

Рис. 94. Сценарий Большого взрыва и эволюции вселенной

В 1965 г. американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили радиоизлучение Вселенной, достаточно равномерно идущее по всем направлениям, не имеющее источника, с температурой около 2,7 К. Это излучение, названное реликтовым, интерпретируют как остаточное излучение ранней горячей Вселенной. Это открытие явилось экспериментальным подтверждением модели эволюции ранней Вселенной.

Формирование более тяжелых, чем водород и гелий, химических элементов (вплоть до железа) происходит лишь в недрах звезд. Элементы тяжелее железа синтезируются по современным представлениям только при вспышках сверхновых звезд, которые происходят в результате эволюции сверхмассивных звезд. Звезды второго поколения наряду с водородом и гелием содержат более тяжелые элементы (азот, кислород, неон и др.). Планетные системы, по-видимому, рождаются вместе с одиночными звездами второго поколения. Возраст нашего Солнца и тел Солнечной системы оценивают в 4,5—5 млрд лет. Солнце — звезда второго поколения.

Вселенная согласно современным представлениям не стационарна, она эволюционирует. Наблюдается ускоренное расширение Вселенной. Химические элементы синтезировались в ходе эволюции Вселенной и космических обьектов. прежде всего звезд.

  • Почему наблюдаемый в спектрах далеких галактик сдвиг спектральных линий называют красным смещением?
  • Какие процессы проходили в ранней Вселенной согласно сценарию Большого взрыва?
  • Каким фридмановским сценариям противоречит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной?

Рейтинг@Mail.ru