Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu 		 

Evolyuciya vselennoi

A.N.VASIL'EV

Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi universitet

V stat'e kratko izlagaetsya sovremennaya teoriya Bol'shogo Vzryva, ob'yasnyayushaya evolyuciyu nablyudaemoi Vselennoi.

Kartina nochnogo neba predstavlyaetsya nablyudatelyu nekotorym etalonom stabil'nosti po sravneniyu s okruzhayushimi ego processami na Zemle i v obshestve: na protyazhenii vsei zhizni cheloveka vidimye zvezdy sohranyayut neizmennymi svoi polozheniya i yarkosti, sohranyaetsya privychnyi risunok sozvezdii, i eto edinoobrazie narushaetsya lish' zametnym dvizheniem nebol'shogo chisla ob'ektov tipa planet ili komet, otnosyashihsya k nashei Solnechnoi sisteme.

No eto pervoe vpechatlenie neizmennosti okruzhayushei nas Vselennoi v deistvitel'nosti obmanchivo: ona evolyucioniruet, i eta evolyuciya, sravnitel'no medlennaya seichas, na rannih etapah byla nevoobrazimo bystroi, tak chto ser'eznye kachestvennye izmeneniya sostoyaniya Vselennoi proishodili za doli sekundy. Po sovremennym predstavleniyam, nablyudaemaya nami seichas Vselennaya voznikla okolo 15 milliardov let nazad iz nekotorogo nachal'nogo "singulyarnogo" sostoyaniya s beskonechno bol'shimi temperaturoi i plotnost'yu i s teh por nepreryvno rasshiryaetsya i ohlazhdaetsya. Soglasno etoi teorii Bol'shogo Vzryva, dal'neishaya evolyuciya zavisit ot izmerimogo eksperimental'no parametra $\rho$ - srednei plotnosti veshestva v sovremennoi Vselennoi. Esli $\rho$ men'she nekotorogo (izvestnogo iz teorii) kriticheskogo znacheniya $\rho_c$ , Vselennaya budet rasshiryat'sya vechno; esli zhe $\rho$ > $\rho_c$ , to process rasshireniya kogda-nibud' ostanovitsya i nachnetsya obratnaya faza szhatiya, vozvrashayushaya k ishodnomu singulyarnomu sostoyaniyu. Sovremennye eksperimental'nye dannye otnositel'no velichiny $\rho$ eshe nedostatochno nadezhny, chtoby sdelat' odnoznachnyi vybor mezhdu dvumya variantami budushego Vselennoi.

Est' ryad voprosov, na kotorye teoriya Bol'shogo Vzryva otvetit' poka ne mozhet, odnako osnovnye ee polozheniya obosnovany nadezhnymi eksperimental'nymi dannymi, a sovremennyi uroven' teoreticheskoi fiziki pozvolyaet vpolne dostoverno opisat' evolyuciyu takoi sistemy vo vremeni, za isklyucheniem samogo nachal'nogo etapa - poryadka sotoi doli sekundy ot "nachala mira". Dlya teorii vazhno, chto eta neopredelennost' na nachal'nom etape fakticheski okazyvaetsya nesushestvennoi, poskol'ku obrazuyusheesya posle prohozhdeniya dannogo etapa sostoyanie Vselennoi i ego posleduyushuyu evolyuciyu mozhno opisat' vpolne dostoverno.

Zakonchiv na etom obshee vvedenie, perehodim k bolee podrobnomu izlozheniyu teorii Bol'shogo Vzryva i porozhdaemyh eyu problem. Osnovnymi eksperimental'nymi osnovaniyami dannoi teorii yavlyayutsya sleduyushie tri:

  1. Nablyudaemoe "razbeganie" dalekih galaktik, podchinyayusheesya zakonu Habbla $\upsilon=RH$.

  2. Otkrytie v 1964 godu R. Penziasom i A. Vil'sonom kosmicheskogo fona "reliktovogo izlucheniya", po intensivnosti i spektral'nomu sostavu ekvivalentnogo izlucheniyu chernogo tela s temperaturoi okolo 3 K (gradusy Kel'vina).

  3. Nablyudaemyi himicheskii sostav Vselennoi, sostoyashei priblizitel'no iz 3/4 (po masse) vodoroda i 1/4 geliya s nebol'shoi (poryadka odnogo procenta) primes'yu prochih elementov.

Dlya opisaniya evolyucii posle pervoi sotoi doli sekundy ispol'zuyutsya sleduyushie razdely teoreticheskoi fiziki:

  1. ravnovesnaya statfizika, glavnym obrazom ee osnovnye principy i teoriya relyativistskogo ideal'nogo gaza;

  2. obshaya teoriya otnositel'nosti Einshteina, v chastnosti kosmologicheskaya model' Fridmana rasshiryayusheisya vselennoi;

  3. nekotorye svedeniya iz fiziki elementarnyh chastic: spisok osnovnyh chastic, ih harakteristiki, tipy vzaimodeistviya, zakony sohraneniya.

Vse nuzhnye svedeniya i zakonomernosti iz etih razdelov yavlyayutsya nadezhno ustanovlennymi, poetomu poluchaemuyu s ih pomosh'yu informaciyu otnositel'no evolyucii sistemy mozhno schitat' vpolne dostovernoi. Principial'nye trudnosti voznikayut lish' pri popytke prodvinut'sya eshe blizhe k "nachalu mira", t.e. vnutr' pervoi sotoi doli sekundy. Dlya etogo nuzhny nadezhnye svedeniya o fizike elementarnyh chastic v oblasti sverhvysokih energii, kotorymi my seichas ne raspolagaem, poskol'ku takie energii nedostizhimy na zemnyh uskoritelyah. Pri dal'neishem prodvizhenii k nachalu mira my v kakoi-to moment stolknemsya s eshe bolee trudnoi problemoi neobhodimosti "kvantovaniya gravitacii", poka ne imeyushei dazhe principial'nogo udovletvoritel'nogo resheniya. V silu etih prichin vse popytki issledovaniya samyh pervyh mgnovenii sushestvovaniya nashego mira ostayutsya poka chisto umozritel'nymi teoreticheskimi postroeniyami. Poetomu my budem prosto isklyuchat' iz rassmotreniya eto "pervoe mgnovenie" evolyucii, ogranichivayas' lish' posleduyushim etapom, dlya kotorogo raspolagaem dostovernoi informaciei.

Prezhde vsego poyasnim podrobnee perechislennye vyshe osnovnye eksperimental'nye svidetel'stva v pol'zu teorii Bol'shogo Vzryva.

1. Rasshirenie vselennoi

Po dannym sovremennoi nablyudatel'noi astronomii zvezdy vo Vselennoi gruppiruyutsya v galaktiki, kotorye, v svoyu ochered', takzhe obrazuyut skopleniya. Predstavlenie o poryadkah velichin dayut sleduyushie cifry: nasha Galaktika soderzhit ~ 1011 zvezd i imeet formu linzy diametrom 80 tysyach svetovyh let i tolshinoi ~ 30 tysyach svetovyh let. Blizhaishaya k nam galaktika M31 v sozvezdii Andromedy udalena ot nas na rasstoyanie poryadka 2 millionov svetovyh let. My nahodimsya na periferii gigantskogo skopleniya bolee tysyachi galaktik s centrom v napravlenii sozvezdiya Devy, udalennym na rasstoyanie ~ 60 millionov svetovyh let. Vozmozhnosti sovremennoi tehniki pozvolyayut nablyudat' dostatochno yarkie galaktiki vplot' do rasstoyanii poryadka 10 milliardov svetovyh let. Dannye nablyudenii pokazyvayut, chto v krupnyh masshtabah Vselennaya odnorodna i izotropna. Grubo govorya, eto oznachaet, chto v lyuboi sfere s fiksirovannym dostatochno bol'shim diametrom (dostatochnym schitaetsya chislo ~ 300 millionov svetovyh let) soderzhitsya priblizitel'no odinakovoe chislo galaktik. Utverzhdenie ob odnorodnosti i izotropnosti Vselennoi v bol'shih masshtabah prinyato nazyvat' Kosmologicheskim Principom.

V nablyudaemyh spektrah zvezd i galaktik horosho razlichimy spektral'nye linii poglosheniya (hromosferami zvezd) izvestnyh elementov. Eto pozvolyaet dovol'no tochno izmeryat' s pomosh'yu horosho izvestnogo effekta Doplera skorost' $\upsilon$, s kotoroi dannyi izluchayushii ob'ekt udalyaetsya ($\upsilon$ > 0) ili priblizhaetsya ($\upsilon$ < 0) po otnosheniyu k zemnomu nablyudatelyu. Takoe dvizhenie privodit k smesheniyu $\lambda$ \rightarrow $\lambda$' dliny volny $\lambda$ izluchayushego istochnika:

$$\frac{\lambda'}{\lambda}=\frac{1+\upsilon/c}{\sqrt{1-(\upsilon/c)^2\,}},$$ (1)

gde $\upsilon$ - skorost' udaleniya, $c$ - skorost' sveta (znamenatel' (1) - popravka v relyativistskoi teorii Einshteina, sushestvennaya tol'ko pri $\upsilon$, blizkih k skorosti sveta $c$). Iz (1) vidno, chto dlya udalyayushegosya ot nas ob'ekta linii smeshayutsya v krasnuyu storonu ($\lambda$ > $\lambda$'), a dlya priblizhayushegosya - v golubuyu ($\lambda$ < $\lambda$').

Esli by okruzhayushie nas galaktiki dvigalis' haoticheski, to krasnye i golubye smesheniya v ih spektrah nablyudalis' by s odinakovoi veroyatnost'yu. No eksperiment pokazyvaet drugoe: krasnye smesheniya preobladayut i tem bol'she, chem dal'she ot nas nahodyatsya izuchaemye ob'ekty. Kolichestvennym itogom etih nablyudenii yavlyaetsya sformulirovannyi v 1929 godu Habblom "zakon razbeganiya", soglasno kotoromu vse galaktiki (v srednem) udalyayutsya ot nas i skorost' etogo razbeganiya $\upsilon$ priblizitel'no proporcional'na rasstoyaniyu $R$ do rassmatrivaemoi galaktiki:

$$\upsilon=HR, \qquad H\cong 15 \frac{\mbox{km}}{\mbox{c}} \left/ 10^6\textrm{~svetovyh let.}\right.$$ (2)

Koefficient proporcional'nosti $H$ nazyvayut postoyannoi Habbla. My ukazali v (2) prinimaemoe seichas bol'shinstvom astronomov znachenie: 15 km/s na kazhdyi million svetovyh let rasstoyaniya. Zdes' sleduet otmetit', chto opredelenie velichiny $H$ po dannym eksperimenta yavlyaetsya ochen' trudnoi zadachei: skorosti $\upsilon$ po effektu Doplera mozhno opredelit' dostatochno tochno, no izmerenie rasstoyanii $R$ do dalekih galaktik - trudneishaya problema, i do sih por ona reshaetsya lish' razlichnymi kosvennymi metodami. Sam Habbl pri ocenke rasstoyanii zanizil ih na poryadok, poetomu poluchil na poryadok bol'shee, chem v (2), znachenie $H$ (170 vmesto 15). Do sih por chast' astronomov schitaet, chto znachenie $H$ zametno bol'she privedennogo v (2), no bol'shinstvo prinimaet cifru 15.

Iz zakona razbeganiya (2), razumeetsya, ne sleduet, chto nasha galaktika yavlyaetsya centrom mira, a vse prochie udalyayutsya ot nee. Soglasno Kosmologicheskomu Principu nasha galaktika nichem ne vydelena, tak chto tochno takuyu zhe kartinu razbeganiya dolzhen videt' nablyudatel' iz lyuboi drugoi galaktiki. Eto znachit, chto "vse razbegayutsya ot vseh". Naglyadnoi model'yu takogo razbeganiya mozhet posluzhit' naduvaemyi rezinovyi sharik s nanesennymi haoticheski na ego poverhnost' tochkami - "galaktikami": pri naduvanii vse eti tochki budut udalyat'sya drug ot druga v tochnom sootvetstvii s zakonom Habbla (2). Eto model' "dvumernogo zamknutogo mira". Analogichnyi "otkrytyi mir" mozhno predstavit' v vide rezinovoi ploskosti s nanesennymi tochkami, ravnomerno rastyagivayusheisya vo vseh napravleniyah.

Iz proporcional'nosti $\upsilon$ i $H$ v zakone (2) vytekaet fundamental'nyi vyvod otnositel'no sushestvovaniya "nachala mira": gde-to v proshlom byl moment, v kotoryi lyubaya iz nablyudaemyh seichas galaktik byla beskonechno blizka k nashei, sledovatel'no, "lyubaya k lyuboi" v silu Kosmologicheskogo Principa. Iz-za takogo sblizheniya plotnost' veshestva vo Vselennoi v "nachal'nyi moment" stanovitsya beskonechnoi. No eto ne oznachaet, chto vse ono bylo sobrano v odnom meste, tak kak tot zhe Kosmologicheskii Princip trebuet, chtoby plotnost' stanovilas' beskonechnoi v lyuboi tochke prostranstva.

Ocenit' "vozrast Vselennoi" $t_0$ mozhno ochen' prosto, esli predpolozhit', chto postoyannaya Habbla $H$ v processe rasshireniya ostaetsya neizmennoi: togda $t_0 = 1/H\cong 20$ milliardov let dlya chisla iz (2). Na samom dele predpolozhenie o neizmennosti $H$ nepravil'no i tochnuyu ocenku $t_0$ mozhno poluchit' tol'ko s pomosh'yu kosmologicheskoi modeli Fridmana (sm. dalee). K kachestvennym izmeneniyam eto ne privodit, a dlya $t_0$ togda poluchaetsya $t_0 = 2H/3\cong$ 14 milliardov let.

2. Reliktovoe izluchenie

Eto vazhneishee kosmologicheskoe otkrytie nashego veka, kotoroe bylo sdelano sluchaino. V 1964 godu astronomy R. Penzias i A. Vil'son reshili izmerit' fonovoe radioizluchenie nashei Galaktiki v napravleniyah vne ee ploskosti ekliptiki. Dlya etogo oni reshili vospol'zovat'sya postroennoi dlya svyazi so sputnikami rupornoi antennoi laboratorii firmy Bell-Telefon, skonstruirovannoi tak, chtoby obespechit' sverhnizkii uroven' sobstvennyh shumov. Poslednee ochen' vazhno, tak kak ozhidaemoe fonovoe radioizluchenie galaktiki takzhe podobno radioshumu, kotoryi sledovalo vydelit' na fone drugih shumov ot atmosfery, samoi antenny i ee usilitel'nyh cepei.

Posle tshatel'nogo analiza i ocenki vseh etih "parazitnyh" shumov Penzias i Vil'son nachali izmereniya na sravnitel'no korotkih volnah s dlinoi 7,35 sm (mikrovolnovyi diapazon), dlya kotoryh radioshum galaktiki dolzhen prakticheski otsutstvovat'. Oni ozhidali, chto ves' signal budet togda prostoi summoi uzhe izvestnyh "parazitnyh shumov". No okazalos', chto krome nih sistema registriruet nekotoryi slabyi dopolnitel'nyi radioshum, intensivnost' kotorogo ne zavisit ni ot napravleniya antenny, ni ot vremeni sutok.

Penzias i Vil'son ne ponimali prirody etogo dopolnitel'nogo radioshuma i dazhe razobrali, pochistili i vnov' sobrali vsyu antennu, chtoby isklyuchit' dobavochnye pomehi ot vozmozhnyh zagryaznenii. No eto prakticheski ne izmenilo rezul'tat, i im prishlos' konstatirovat', chto po neponyatnym (dlya nih) prichinam ih antenna prinimaet dopolnitel'nyi slabyi radioshum vnezemnogo proishozhdeniya, intensivnost' kotorogo postoyanna vo vremeni i ne zavisit ot napravleniya. Izmerennaya imi na dline volny 7,35 sm intensivnost' etogo radiosignala okazalas' ravnoi intensivnosti izlucheniya na dannoi dline volny absolyutno chernogo tela s temperaturoi okolo treh kel'vinov. Penzias i Vil'son natknulis' na etot fakt sluchaino i nekotoroe vremya dazhe ne reshalis' opublikovat' svoi rezul'taty, poskol'ku ne ponimali prirody obnaruzhennogo imi radioshuma (v 1978 godu oni poluchili za svoe otkrytie Nobelevskuyu premiyu). No uzhe v konce sorokovyh godov poyavilis' pervye raboty fizikov-teoretikov, v kotoryh predskazyvalos', chto v nastoyashii moment vsya Vselennaya dolzhna byt' zapolnena ravnovesnym elektromagnitnym izlucheniem s effektivnoi temperaturoi v neskol'ko gradusov Kel'vina.

Raspredelenie po energiyam takogo ravnovesnogo izlucheniya (ono zhe izluchenie absolyutno chernogo tela) opisyvaetsya izvestnoi formuloi Planka

$$d\rho=d\lambda \frac{8\pi hc}{\lambda^5}\frac{1}{e^{hc/\lambda kt}-1}\,,$$ (3)

v kotoroi $d\rho$ - energiya v edinice ob'ema, prihodyashayasya na interval dlin voln ot $\lambda$ do $\lambda$ + $d\lambda$, $T$ - temperatura v kel'vinah K, $h = 6,625 \cdot10^{-27}$ erg s - postoyannaya Planka, $k = 1,38 \cdot 10^{-16}$ erg/K - postoyannaya Bol'cmana, c = 3$\cdot 10^{10}$ sm/c - skorost' sveta.

Soglasno utverzhdeniyam teoretikov, na rannei stadii Vselennaya byla zapolnena ravnovesnym izlucheniem s ochen' vysokoi temperaturoi. V processe rasshireniya Vselennoi eto izluchenie ohlazhdalos', ostavayas' ravnovesnym, i k nastoyashemu vremeni temperatura opustilas' do znachenii neskol'kih gradusov Kel'vina. Imenno eto "reliktovoe