Реферат: Расширяющася Вселенная

Введение.

Идея эволюции всей Вселенной представляется вполнеестественной и даже необходимой сегодня. Однако так было не всегда. Как ивсякая великая научная идея, она прошла сложный путь борьбы и становления, покане восторжествовала в науке. Сегодня эволюция Вселенной является научнымфактом, всесторонне обоснованным многочисленными астрофизическими наблюдениямии имеющими под собой прочный теоретический базис всей физики.

Научнаяфизическая космология может считаться детищем XX века. Только в прошлом веке Альбертом Эйнштейном была созданарелятивистская теория тяготения (общая теория относительности), котораяявляется теоретическим  фундаментом наукио строении Вселенной.

Сдругой стороны, успехи наблюдательной астрономии начала прошлого века –установление природы галактик открытие закона красного смещения Хаббла, а впоследние годы успехи радиоастрономии, новые методы физических исследований,включая методы исследований с помощью космических аппаратов, создалинаблюдательный фундамент космологии.

Началомсовременного этапа развития космологии является работа ученого А.А. Фридмана,выполненные в 1922-1924 г.г. На основе теории Эйнштейна он построилматематические модели движения вещества во всей Вселенной под действием силтяготения. Фридман доказал, что вещество Вселенной не может быть стационарной;она должна либо сжиматься, либо расширяться и, следовательно, плотностьвещества во Вселенной должна либо уменьшаться, либо увеличиваться.

Тактеоретически открыта необходимость глобальной эволюции Вселенной.

<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

1.<span Times New Roman"">    

Крупномасштабная однородность и изотопия Вселенной.

Любыепопытки построения модели окружающего нас мира начинаются, конечно, сосмысливания наблюдений.

Чтопредставляет собой наблюдаемая нами Вселенная?

Допоследнего времени астрономы могли наблюдать непосредственно лишь светящиесятела, т.е. звезды, светящийся газ, звездные системы.

Всравнительно небольших масштабах звезды распределены в пространстве совершеннонеравномерно. Это стало ясно с того времени, когда поняли, что Млечный Путьявляется гигантским скоплением звезд – Галактикой. По мере того, как силателескопов возрастала и совершенствовались методы астрофизических исследований,выяснилось, что  галактик много, что онираспределены неравномерно, и что общая картина Вселенной представляется совокупностьюотдельных скоплений галактик. Размеры скоплений и количество галактик  в нихбывают весьма различны. Большие скопления содержат тысячи галактик и имеютразмеры в несколько мегапарсек (1пк=3,1*1018см, 1Мпк=106пк).Среднее расстояние между большими скоплениями около 30 Мпк, т.е. примерно в 10раз больше, чем размеры скоплений. Это означает, что средняя плотность каждойструктурной единицы в 100-1000 раз больше, чем та плотность, которая быполучилась, если бы все вещество равномерно «размазать» по всему пространству.Имеются и более крупные сгущения – сверхскопления. Таким образом, в масштабе 30Мпк имеются отдельные структурные единицы, и, следовательно, Вселеннаянеоднородна. Если взять в 10 раз больший масштаб, то в таком кубе, где бы егоне помещать, будет примерно  и то жеколичество скоплений галактик (примерно около 1000), т.е. в большом масштабеВселенная  приблизительно однородна. Покаисследовались скопления галактик с помощью оптических телескопов, мы не оченьхорошо представляли их распределение в пространстве.

Точностьоптических методов определений распределения галактик в пространстве не слишкомвелика и утверждение о том, что мир в среднем однороден, имело точность около10-20%. За последние полвека появились новые методы исследования крупномасштабнойоднородности и изотопии (так называют независимость свойств от направления впространстве) Вселенной. Они связаны в первую очередь с измерением такназываемого реликтового радиоизлучения, приходящего к нам с огромныхрасстояний. Самые точные сегодняшние измерения не обнаружили отклонений винтенсивности такого излучения в разных направлениях на небе с относительнойточностью  в 10-14 / 10-5.Это свидетельствует о том, что свойства Вселенной одинаковы по всемнаправлениям, т.е. что Вселенная изотопна с высокой точностью. Но этинаблюдения свидетельствуют также и о том, что Вселенная с высокой точностьюоднородна. Отклонения в плотности распределения вещества до среднего значения вмасштабах 1000 Мпк не превышает трех процентов, а в больших масштабах этиотклонения еще существенно меньше.

Такимобразом, важнейшей  наблюдаемойособенностью Вселенной является неоднородность, структурность в малом масштабеи однородность в большом масштабе.

Вмасштабах сотни мегапарсек вещество Вселенной можно рассматривать какоднородную непрерывную среду,  «атомами»которой являются галактики, скопления галактик или даже сверхскопления.

В19 веке делались попытки построения так называемых  иерархических моделей Вселенной. Согласнотаким моделям во Вселенной имеется бесконечная последовательность систем всеболее высокого порядка: звезды объединены в галактики, галактики в скопления галактик, скопления образуютсверхскопления и т.д. до бесконечности. Наблюдения опровергают такоепредположение.

Прирассмотрении крупномасштабной структуры Вселенной надо исходить из свойств ееоднородности и изотопии.

2.<span Times New Roman"">    

Теория предсказывает нестационарность Вселенной.

   Посмотрим, к каким выводам ведет фактоднородного распределения вещества во Вселенной.

Важнейшейсилой, действующей в мире небесных тел, является сила всемирного тяготения.

Закон,управляющий этой силой, был установлен И. Ньютоном в XVIIвеке.

Теориятяготения Ньютона и ньютоновская механика явились величайшим достижениеместествознания. Они позволяют описать с большой точностью обширный кругявлений, в том числе движение естественных и искусственных тел в Солнечнойсистеме, движения в других системах небесных тел: в двойных звездах, в звездныхскоплениях, в галактиках.

Наоснове теории тяготения Ньютона были сделаны предсказания существованиянеизвестной ранее планеты Нептун, предсказания существования  спутника Сириуса и многие другиепредсказания, впоследствии блестяще подтвердившиеся. В настоящее время законНьютона является фундаментом, на основании которого в астрономии  вычисляются движения и строение небесных тел,их эволюция, определяются массы небесных тел. Однако в некоторых случаях, когдаполя тяготения становятся достаточно сильными, а скорости движения в нихприближаются к скорости света, тяготение уже не может быть описано закономНьютона. В этом случае надо пользоваться релятивистской теорией тяготения,созданной А. Эйнштейном в 1916 г.

Необходимостьвыхода за рамки ньютоновской теории тяготения в космологической проблеме былаосознана давно, задолго до создания Эйнштейном новой теории.  Но оказывается, что и  теория тяготения Эйнштейна, и теориятяготения Ньютона обладают одной важной особенностью, которая позволяетвыяснить важнейшее свойство модели Вселенной, не прибегая к сложной теорииЭйнштейна, а пользуясь исключительно теорией Ньютона.

Итак,вернемся к общему важному свойству теорий Эйнштейна и Ньютона.

Делов том, что сферически- симметричная материальная оболочка не создает никакогогравитационного поля во внутренней полости. Покажем это в случае теорииНьютона.

Рассмотримматериальную сферу (рисунок 1).

<div v:shape="_x0000_s1033"> В

<div v:shape="_x0000_s1032"> А

                т   

            

           

             О

                 

<img src="/cache/referats/15565/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1026"><img src="/cache/referats/15565/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1031"><img src="/cache/referats/15565/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1030"><img src="/cache/referats/15565/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1029"><img src="/cache/referats/15565/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1027">           

            

Рис.1Силы тяготения, с которыми площадки А и В притягивают тело т, равны по  величине ипротивоположны по направлению.

Сравнимсилы тяготения, которые тянут тело массы т(находящейся в произвольной точке внутри сферы) в противоположныестороны  А и В. Направление линии АВ, проходящей через т, произвольно. Эти силы создаются веществом, расположенным на участках сферы,вырезанных узкими конусами с одинаковыми углами при вершине. Площади площадок,вырезаемых этими узкими конусами, пропорциональны квадратам высот этих конусов.Значит, площадь  Sa площадки А относитсяк площади Sb площадки В как квадраты расстояний ra иrb от т доповерхности:

Sa / Sb= ra2/rb2          (1)

Нотак как масса считается равномерно распределенной по поверхности сферы, то длямасс площадок получаем то же отношение:

 Мa /Мb= ra2/ rb2       (2)

Теперьможно вычислить отношение сил, с которыми площадки притягивают тело. Сами силызаписываются согласно закону Ньютона следующим образом:

FA= GMa m/ ra2  , FB= GMb m/ rb2   (3)

Ихотношение есть         FA/ FB = Ma ra2/Mb rb2  (4)

 Подставляя в (4) вместо Ma/Mb его значение из(2), находим

 FA/FB =1, FA= FB .           (5)

Следовательно,силы равны по абсолютной величине, направлены в противоположные стороны иуравновешивают друг друга. То же можно повторить и для любых направлений.Значит, все противоположно направленные силы уравновешены и регулирующая сила,действующая на т, равна нулю. Точка,в которой расположено тело т,произвольна. Следовательно, внутри сферы действительно нет сил тяготения.

Теперьобратимся к рассмотрению сил тяготения во Вселенной. В предыдущем пункте быловыяснено, что в больших масштабах распределение вещества во Вселенной можносчитать однородным. Везде рассматриваются только большие масштабы, поэтомувещество считается однородным.

<div v:shape="_x0000_s1043">

A

<div v:shape="_x0000_s1042">

O

<img src="/cache/referats/15565/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1038"><div v:shape="_x0000_s1041">

R

<img src="/cache/referats/15565/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1036"><img src="/cache/referats/15565/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1035">

Рис.2  Силатяготения, с которой Галактика А, расположенная на поверхности шарапроизвольного радиуса R,притягивается к центру шара О, определяется только суммарной массой веществашара и не зависит от вещества, находящегося вне шара.

Рассмотрим сначала силы тяготения, создаваемые наповерхности этого шара только веществом самого шара, и не будем покарассматривать  все остальное веществоВселенной. Пусть радиус шара выбран не слишком большим, так что поле тяготения,создаваемое веществом шара, относительно слабо и применима теория Ньютона длявычисления силы тяготения. Тогда галактики, находящиеся на граничной сфере,будет притягиваться к центру шара с силой, пропорциональной массе шара М иобратно пропорциональной квадрату его радиуса R.

Теперь вспомним о всем остальном веществе Вселеннойвне шара, и попытаемся учесть силы тяготения, им создаваемые. Для этого будемрассматривать последовательно сферические оболочки все большего и большегорадиуса, охватывающие шар. Но выше мы показали, что сферически-симмертичныеслои вещества никаких гравитационных сил внутри полости не создают.  Следовательно, все этисферически-симметричные оболочки (т.е. все остальное вещество Вселенной) ничегоне добавят к силе притяжение, которое испытывает Галактика А на поверхностишара к его центру О.

Итак, можно вычислить ускорение одной галактики А поотношению к галактике О. Мы приняли О за центр шара, а галактика А находится нарасстоянии   R  от О. Это ускорениеобусловлено тяготением только вещества шара радиусом R. Согласно закону Ньютона оно есть:

A=- (GM/R2).            (6)

Знак минус означает, что ускорениесоответствует  притяжению, а неоттягиванию.

Итак, любые две галактики, находящиеся в однороднойВселенной на расстоянии R,испытывают относительное ускорение (отрицательное) а, даваемое формулой 6. Это и означает, что Вселенная должна бытьнестационарной. Действительно, если бы мы представили, что в некоторый моментвремени галактики покоятся, не движутся и плотность вещества во Вселенной неменяется, то в следующий момент галактики получили бы скорости под действиемвзаимного тяготения всего вещества, так как имеется ускорение тяготения,даваемое формулой 6.

Итак, покой галактик друг относительно другавозможен только лишь на мгновение. В общем же случае галактики должны двигаться– они должны удаляться или сближаться, радиус шара R должен меняться со временем, плотностьвещества должна также изменяться со временем.

Вселенная должна быть нестационарной, ибо в нейдействует тяготение – таков основной вывод теории. Этот вывод был получен А.А. Фридманна основе релятивистской теории тяготения в 1922- 1924 г.г.  Значительно позже, в середине тридцатыхгодов, Э. Мили и В. Маккри обратили внимание на то, что вывод онестационарности однородной Вселенной может быть получен из ньютоновской теориипо схеме, приведенной здесь.

Как конкретно должны двигаться галактики, как должнаменяться плотность, будет ли происходить расширение или сжатие?

Это зависит не только от сил тяготения, управляющихдвижением. Эти силы дают ускорение, а точнее, торможение (знак минус в формуле6), т.е. показывают, как будет меняться скорость со временем. Если задать внекоторый момент покой галактик, то  впоследующие моменты галактики начнут сближаться, Вселенная будет сжиматься.Если задать в начальный момент скорости галактик так, чтобы они удалялись другот друга, то мы получим расширяющуюся модель Вселенной, расширение которойтормозится тяготением. Величину скорости в некоторый момент теория тяготениясама дать не может, ее можно получить из наблюдений.

3.<span Times New Roman"">    

Далекие звездные системы – галактики и их скопленияявляются наибольшими известными астрономам структурными единицами Вселенной.Они наблюдаются с огромных расстояний и именно изучение их движений послужилонаблюдательной основой исследования кинематики Вселенной. Для далеких объектовможно измерить скорость удаления или приближения, пользуясь эффектом Доплера.Напомним, что согласно этому эффекту у приближающегося источника света вседлины волн, измеренные наблюдателем, уменьшены, смещены к фиолетовому концуспектра, а для удаляющегося источника – увеличены, смещены к красному концуспектра. Величина смещения обозначается буквой z иопределяется формулой:

Z =<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">l

набл. — <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">lизл/<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">lизл=v/c.        (7)

Эта формула справедлива для скоростей v, многоменьшихскорости светас, когда применимамеханика Ньютона. При скоростях, близких к световой, формула усложняется, но мысейчас на этом останавливаться не будем, ибо будем рассматривать скорости,малые по сравнению со световой.

Измеряя смещение спектральных линий в спектрахнебесных тел, астрономы определяют их приближение или удаление, т.е. измеряюткомпоненту скорости, направленную по «лучу зрения». Поэтому скорости,определенные по спектральным измерениям, носят название лучевых скоростей.

Пионером измерения лучевых скоростей у галактик былв начале прошлого века американский астрофизик В.М. Слайфер. В то время еще небыли известны расстояния до галактик и велись ожесточенные споры, находятся лиони внутри нашей звездной системы – Галактики – или далеко за ее пределами.Слайфер обнаружил, что большинство галактик удаляются от нас и скоростиудаления огромны: от 2-3 сотен до 1100 км/с. Приближались к нам тольконесколько галактик. Как выяснилось позже, Солнце движется вокруг центра нашейГалактики со скоростью около 250 км/с и большая часть «скоростей приближения»этих нескольких ближайших галактик связаны именно с тем, что Солнце сейчасдвижется к  этим объектам.

Итак, галактики, согласно Слайферу, удалялись отнас. Линии в их спектрах были смещены к красному концу. Это явление получилоназвание «красного смещения». В двадцатые годы были измерены расстояния догалактик. Это удалось сделать с помощью пульсирующих звезд, меняющих свой блеск– цефеид. 

  Этипеременные звезды обладают замечательной особенностью. Количество света,излучаемое цефеидой, – ее  светимость ипериод изменений светимости вследствие пульсаций тесно связаны. Зная период,можно вычислить светимость. А это позволяет вычислить расстояние до цефеиды. Действительно,измерив  период пульсаций понаблюдениям  изменения блеска, определяемсветимости цефеиды. Затем измеряется видимый блеск звезды. Видимый блеск0обратно пропорционален квадрату расстояния до цефеиды. Сравнение видимогоблеска со светимостью позволяет найти расстояние до цефеиды.

Цефеиды были открыты в других галактиках. Расстояниедо этих цефеид, а значит, и до галактик, в которых они находятся, оказалисьгораздо большими, чем размер нашей собственной Галактики. Тем самым былоокончательно установлено, что галактики – это далекие звездные системы подобныенашей. 

Для установления расстояний до галактик, помимоцефеид, уже в первых работах использовались и другие методы. Одним из такихметодов является использование ярчайших звезд в галактике, как индикаторарасстояний. Ярчайшие звезды, по-видимому, имеют одинаковую светимость и в нашей Галактике и в других галактиках, ипо этой «стандартной» величине можно определять расстояние. Но ярчайшие звездыимеют большую светимость, чем цефеиды, могут быть видны с больших расстояний иявляются, таким образом, более мощным индикатором расстояний.

Расстояния до целого ряда галактик были определеныамериканским астрономом Э. Хабблом.

Сравнение расстояний до галактик со скоростями ихудаления (скорости  были определены ещеСлайфером и другими астрономами и только исправлялись за счет учета движенияСолнца в Галактике) позволило Э. Хабблу установить в 1929 г. Замечательнуюзакономерность: чем дальше галактика, тем больше скорость ее удаления от нас.Оказалось, что существует простая зависимость между скоростью удалениягалактики и расстоянием от неё:

V=HR             (8)

Коэффициент пропорциональности Н называют теперьпостоянной Хаббла.

График зависимости скоростейудаления галактик от их расстояний, на основе которого Хаббл вывел свой закон,представлен на рисунке 3.

С

К

О

Р

О

С

Т

Ь

Км/с

1000

<img src="/cache/referats/15565/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1045 _x0000_s1060 _x0000_s1063"> <img src="/cache/referats/15565/image011.gif" v:shapes="_x0000_s1047">


1000<span Times New Roman"">                  

<div v:shape="_x0000_s1056">

1

<div v:shape="_x0000_s1055">

2

<img src="/cache/referats/15565/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1054"><img src="/cache/referats/15565/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1053"><img src="/cache/referats/15565/image013.gif" v:shapes="_x0000_s1050"><img src="/cache/referats/15565/image014.gif" v:shapes="_x0000_s1051"><img src="/cache/referats/15565/image015.gif" v:shapes="_x0000_s1046"><img src="/cache/referats/15565/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1052"><img src="/cache/referats/15565/image013.gif" v:shapes="_x0000_s1049">                                        рис. 3 Полученная зависимость Хаббла.                   

<div v:shape="_x0000_s1062">

500


  500        

<div v:shape="_x0000_s1061">


    

<div v:shape="_x0000_s1057">


<div v:shape="_x0000_s1059">

Расстояние, Мпк

             

Согласно этому графику постоянная Хаббла равнаприблизительно Н ≈ 500 км/(с х Мпк). Со времени этого открытия незримовозросла мощность астрономических исследований, и эти исследования подтвердилиЗакон Хаббла (8) – закон пропорциональности скорости удаления галактик ихрасстоянию. Однако, оказалось, что величина коэффициента пропорциональности Нбыла сильно завышена. Согласно современным оценкам величина Н почти  в десять раз меньше.

Это открытие показывало, что галактики удаляются отнас во все стороны и скорость  этогоудаления прямо пропорциональна расстоянию.

Этот факт вызывает невольно удивление: почему именноот нас, от Галактики происходит разбегание других галактик. Неужели мынаходимся в центре Вселенной?

Этот вывод неправилен.Дело в том, что галактики удаляются не только от нашей Галактики, но и друг отдруга. Если бы мы находились в другой галактике, то видели бы точно такую жекартину разбегания, как и из нашей звездной системы. Чтобы понять это,обратимся к рисунку 4.

Рис.4 Картина удаления галактик, как ее видитнаблюдатель из А и картина удаления галактик, как ее видит наблюдатель из Б.

Пусть мы находимся в галактике А и рассматриваем еекак неподвижную (рис.4 а). Рассмотрим сначала галактики, находящиеся на однойпрямой линии. Галактики В, С,… удаляются от нас направо со все возрастающимискоростями. Галактики D, E,… удаляются  от нас налево.Перейдем из галактики А в галактику В и будем ее считать неподвижной (рис.4,б). Теперь, чтобы определить скорости всех галактик относительно В, надовычесть из скоростей изображенных на рис.4, а, величину скорости галактики В.

Теперь А удаляется от В налево с той же скоростью,что и на рис.4 а, В удалялась направо от А. Галактика  D    удаляется с удвоеннойскоростью и т.д. Удаление же С происходит относительно В с меньшей скоростью,чем относительно А, но она и  ближе к В.В целом картина удаления галактик от В такая же – скорости пропорциональнырасстоянию как и от А. Для простоты мы рассматривали галактики на одной прямойлинии, но легко понять, что и в общем случае вывод остается прежним: с точкизрения наблюдателя в любой галактике картина выглядит так, как будто галактикиразбегаются именно от него.

Действительно, после перехода в галактику В дляполучения картины движения всех остальных галактик по отношению к нейнеобходимо вычесть из скоростей галактик на рис.4, а, векторно скорость галактики В. В результате получим картинурис.4, б.

Вероятно, можно еще проще убедиться в том, чтокартина расширения, связанная с законом Хаббла, представляется одинаковой длянаблюдателя, находящегося в любой точке пространства. Возьмем однородный шар изатем увеличим его размеры вдвое, так, чтобы шар оставался по-прежнемуоднородным. Ясно, что при этом расстояния между любыми парами точек внутри шараувеличиться вдвое, как бы не выбирали эти точки. Значит, при раздувании шара,где бы наблюдатель ни находился внутри него, он будет видеть одинаковую картинуудаления от него всех точек внутри шара. Если взять шар неограниченно большогоразмера, то мы и получим картину, описанную выше, не зависящую от положениянаблюдателя.

 

4.<span Times New Roman"">    

Как меняется расширение Вселенной с течениемвремени?

Снова, как в пункте 2, выделим мысленно в однородномвеществе Вселенной шар. Будем следить за изменением размеров этого шара,поверхность которого проходит через  однии те же галактики. Расширение управляется законом всемирного тяготения.Ускорение (отрицательное, т.е. замедление), которое испытывают галактики наповерхности шара, описывается формулой (6)

А ═ – GM/R2

Эта формула позволяет вычислить точную зависимостьрадиуса шара от времени. Проследим эту зависимость качественно.

Во-первых, отметим следующую важную особенностьускорения, описанного выше. Выразим массу шара М через плотность веществаρ и объем шара 4/3 πR3, и подставим в формулу для ускорения.В результате получим          

а = -4/3 π G ρ R .            (7)

Это уравнение показывает, что ускорение а прямопропорционально расстоянию. Итак, в настоящий момент времени и скоростиудаления галактик и ускорение (замедление) пропорциональны расстоянию. Но еслипропорциональна расстоянию и скорость и ее изменение, то, значит, в моментывремени следующие за настоящим, также сохранится пропорциональность скоростирасстоянию. Таким образом,  в моделиФридмана всегда скорости разбегания галактик пропорциональны расстоянию, толькокоэффициент пропорциональности меняется с течением времени. Расширениетормозится, и раньше этот коэффициент был больше. Подобным же образом меняетсярасстояние между любыми двумя далекими галактиками во Вселенной. Только в соответствиис тем, больше это расстояние сегодня, чем радиус шара R, или меньше, график должен бытьподобным образом увеличен или уменьшен. Такие графики изображены на рисунке 5.

<img src="/cache/referats/15565/image016.gif" v:shapes="_x0000_s1101">t0– сегодняшниймомент, О – начало расширения

Время

T0

<div v:shape="_x0000_s1111">

расстояние

<img src="/cache/referats/15565/image017.gif" v:shapes="_x0000_s1102 _x0000_s1103 _x0000_s1105 _x0000_s1108 _x0000_s1109 _x0000_s1110"> <div v:shape="_x0000_s1115"> <img src="/cache/referats/15565/image018.gif" v:shapes="_x0000_s1112 _x0000_s1114">


В прошлом радиус шара R был меньше. Кривая изогнута всоответствии с тем, что расширение происходит с замедлением силами тяготения.Штриховой линией на рисунке 5 изображены графики для других галактик,расстояние до которых сегодня больше  илименьше, чем радиусR сегодня.Они отличаются от первого графика тем, что вертикальные расстояния умножены илиразделены на одно и то же число. Самой важной особенностью графиков являетсято, что в некоторый момент времени в прошлом все расстояния обращались в нуль.Это был момент начала расширения Вселенной. Как давно это было? Как далекоточка О на рисунке 5 от точки Т0? Ответ зависит от скоростирасширения сегодня (от постоянной Хаббла Н), т.е. от наклона кривой на рисунке5 в сегодняшний момент, и от изогнутости кривой. Последняя определяетсяускорением тяготения, т.е. по формуле 7 определяется плотностью материи воВселенной. Если бы тяготение не замедляло расширение (допустим, плотностьвещества исчезающе мала и замедлением а можно пренебречь), то галактикиразлетались бы по инерции с постоянной скоростью. Вместо искривленных линий мыполучим картину прямых линий рис. 8. В этом случае время, протекшее с началарасширения, определяется только постоянной Хаббла и равно 
Т = 1/Н ≈1/75 км/(c*Мпк) = 13* 109 лет. (8)

Возможные неопределенности в значении Н составляют50 км/(c*Мпк)‹ Н ‹ 75 км/(c*Мпк). Это ведет к неопределенности времени  t:

10*109лет ‹  t ‹ 20*109 лет.      (9)

Из-за конечного значения плотности вещества воВселенной имеются силы тяготения, тормозящие расширение и несколько уменьшающиеt (см. пунктирную  кривую на рис. 6).

Рис.6То же, что и нарисунке 6, при исчезающе малой плотности вещества во Вселенной. Для сравненияпунктиром дана кривая, которая на рис.5 была изображена сплошной линией.

К сожалению,величинасредней плотностиВселенной определена не точно. Сравнительно легче учесть вещество, входящее вгалактики. Массы галактик определяются по движению звезд и других светящихсяобъектов в них. Если известны скорости и размеры галактик, то масса вычисляетсяна основе ньютоновской механики и закона тяготения. Зная число галактик,находящихся в единице объема пространства и их массы, можно вычислить среднююплотность материи во Вселенной, входящей в галактики. Плотность этого вещества,усредненная по всему объему, составляет примерно

ρ ≈ 3*10-31г/см3.  Но в пространстве между галактиками можновстретить вещество, которое очень трудно обнаружить, так как оно практически неизлучает и не поглощает свет. Это может быть, например ионизированный газ междугалактиками, слабо светящиеся или потухшие звезды. Наконец во Вселенной можетбыть много нейтрино – частицы, которые очень трудно реагируют с другими веществами,и поэтому их очень трудно обнаружить. Возможно также наличие гравитационных идругих полей, предсказанных теорией Эйнштейна. Есть между галактиками и другиевиды материи. Учесть их все крайне сложно. Наиболее вероятные пределы, вкоторых заключено значение средней плотности всех видов материи, есть 5*10-29г/см3-3*10-31г/см3. При указанной плотности тяготение очень мало влияет наоценку t, приведеннуювыше. Таким образом, момент начала расширения Вселенной отстоит от настоящегомомента на 10-20 миллиардов лет. Любопытно, что возраст Земли, определенный порадиоактивному распаду веществ, равен 5*109 лет. Используя возрастЗемли, советские физики Я.Б. Зельдович и Я.А. Смородинский дали верхний пределплотности для всех трудно наблюдаемых форм материи во Вселенной. Дело в том,что возраст Земли заведомо меньше времени, прошедшего с начала расширения. Аесли так, то максимальная изогнутость кривой на рис. 6 может быть такой, чтоточка начала расширения как раз соответствует возрасту Земли.

 По изогнутостиэтой кривой определяется ускорение тяготения, а по нему из формулы 8 –максимально возможная плотность материи в сегодняшней Вселенной. Этот максимумравен 2*10-28 г/см3.

Интересно сопоставить найденное времяt, прошедшее с началарасширения, с возрастом других объектов во Вселенной. Например, возраст, такназываемых шаровых скоплений в галактике оценивается в 10-14 миллиардов лет.

Мы видим, что и возраст нашей планеты, и,по-видимому, возраст скоплений звезд, лишь немногим меньше t.

Вернемся к закону расширения Вселенной.

Итак, в прошлом, 10-20 миллиардов лет назад, вблизимомента начала расширения плотность вещества во Вселенной была гораздо большесегодняшней. Отдельные галактики, отдельные звезды не могли существовать какизолированные тела. Вся материя находилась в состоянии непрерывнораспределенного вещества. Лишь позже, в ходе расширения, оно распалось наотдельные комки, что привело к образованию отдельных небесных тел.

7. Будущеерасширяющейся Вселенной. Критическая плотность.

Расширение Вселенной протекает с замедлением, длябудущего есть две возможности. Замедление пропорционально плотности вещества воВселенной. С расширением плотность падает, уменьшается замедление. Возможнаситуация, когда при сегодняшней скорости расширения плотность веществадостаточно мала и замедление мало. Тогда расширение будет протекать неограничено.

<div v:shape="_x0000_s1088">

расстояние

<div v:shape="_x0000_s1087">

расстояние

<img src="/cache/referats/15565/image019.gif" v:shapes="_x0000_s1083"><img src="/cache/referats/15565/image020.gif" v:shapes="_x0000_s1077"><img src="/cache/referats/15565/image021.gif" v:shapes="_x0000_s1068"><img src="/cache/referats/15565/image022.gif" v:shapes="_x0000_s1064"> 

<img src="/cache/referats/15565/image023.gif" v:shapes="_x0000_s1071"> <img src="/cache/referats/15565/image024.gif" v:shapes="_x0000_s1084">


<div v:shape="_x0000_s1090">

Время

<div v:shape="_x0000_s1089">

Время

</
еще рефераты
Еще работы по астрономии. физике