Фундаментальные законы природы как основа формирования естественно-научной картины мира

Однако Г.Гамов не прояснял, как именно этот сгусток образовался, откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии. Наличие этого сгустка и этой энергии Г.Гамов принял постулативно. К числу этих постулатов относилось и то обстоятельство, что именно огромное радиационное давление внутри этого сгустка и привело в конечном счете к необычайно быстрому его расширению, именно - Большому

Взрыву. Составные части этого сгустка, разлетевшиеся с максимальными относительными скоростями, теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас, и мы наблюдаем их сейчас такими, какие они были примерно 2·109 лет тому назад.

Таким образом, факт расширения Вселенной оказывается естественным следствием именно этого Большого Взрыва. Заметим в этой связи, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Гамов теоретически предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но в результате их могло быть образование лишь гелия.

Спектр гелия наблюдался в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента от греческого Гелиос - Солнце.

Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода - (60%) и гелия (20%). Однако лишь малая часть водорода и гелия содержится в самих звездах, остальное же их количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном же пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом теория Большого Взрыва хорошо согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.

Вместе с тем существуют вполне определенные гипотезы объяснения образования вышеупомянутого сгустка. В этой связи предполагается, что вышеназванные межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Заметим также, что распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике - 1 атом/см3, однако имеются сильные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров.

Именно на таких теоретических основаниях и возникает гипотеза образования вышеназванного сгустка из межзвездной пыли вследствие ее гигантского уплотнения, что впоследствии и привело собственно к взрыву.

Наиболее важным подтверждением теории Большого Взрыва следует считать обнаружение так называемого реликтового излучения, как раз и связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения.

Название "реликтовое излучение" ввел советский астрофизик И. Шкловский. Первоначально, как представляется, это излучение представляло собой лучи, которые обладали огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также "остыло" и энергия фотонов уменьшилась, то есть возросла длина их волны. Это излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Г.Гамов как раз и рассчитал температуру реликтового излучения. По его расчетам она составляет 3 K, согласно же современным данным - 2,7 К.

Рассматривая такой сгусток вещества и излучения, мы должны понимать, что его нельзя рассматривать как бы со стороны, с далекого расстояния, и считать, что он расширяется по направлению к нам (или от нас). Этот сгусток есть не что иное, как сама Вселенная, и Земля находится внутри нее, так что внутри сгустка при расширении его все остальное вещество во Вселенной движется в направлении от Земли, или от любого куска вещества в этом сгустке. Поэтому излучение сгустка "бомбардирует" Землю со всех сторон. Отсюда любой наблюдатель во Вселенной должен регистрировать это излучение с равной интенсивностью с любого направления в пространстве.

Так как расширение продолжается ~1010 лет, то огромная начальная температура должна была уменьшиться, согласно теории, к настоящему времени до средней температуры Вселенной порядка 3 К, а максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой в 3 K, должен приходиться на длину волны порядка 0,1 см.

Это означает, что если теория Большого Взрыва верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3 K и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, то есть быть изотропным.

Начиная с 1965 г. проводились многочисленные измерения, обнаружившие космические радиоволны с малой энергией, которые можно интерпретировать как равновесное излучение остывшего, но все еще расширяющегося сгустка, причем с длиной волны, соответствующей как раз температуре равной 3 K. Таким образом, были получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории Большого Взрыва.

Если считать, что эксперименты подтверждают нынешнее расширение Вселенной, то будет ли она продолжать расширяться и дальше?

Общая теория относительности предполагает следующий ответ на этот вопрос. Считается, что существует некая критическая масса Вселенной. Если действительная масса Вселенной меньше критической, гравитационного притяжения вещества во Вселенной будет недостаточно, чтобы остановить это расширение, и оно будет идти и дальше. Если же действительная реальная масса больше критической, то гравитационное притяжение в конце концов замедлит расширение, приостановит его и затем приведет к сжатию. В этом случае Вселенную ожидает коллапс (своего рода "Большой Треск"), в результате которого вновь образуется изначальный сгусток. Тем самым снова будут готовы условия для нового Большого взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной.

Что же дают эксперименты?

Эксперименты такого рода, конечно, не простые и, скорее, оценочные, так как кроме определения массы Вселенной в виде вещества и энергии в звездах, галактической пыли и газе необходимо учитывать также вещество и в межгалактическом пространстве. А вот с этим-то как раз и возникает большая неопределенность.

Прямые эксперименты затруднены здесь тем, что межгалактический водород почти полностью ионизирован излучением галактик и квазизвездных объектов (квазаров). Поэтому для регистрации ионизированного водорода необходимы рентгеновские методы измерения, причем, вне пределов атмосферы Земли, чтобы избежать эффектов поглощения ею указанного излучения. Как показывают измерения с помощью ракет и спутников, а также предварительные расчеты, полная масса Вселенной с учетом межгалактического вещества значительно превышает критическую. Это означает, что модель пульсирующей Вселенной как будто бы подтверждается. Получается, что мы живем в такой вселенной, которая взрывается, расширяется и снова сжимается примерно каждые 80 миллиардов лет.

 Скачать реферат