Эффект Доплера.
методическая разработка по физике

Тема: Эффект Доплера. Большой взрыв.

Происхождение вселенной

Окружающий нас мир велик и многообразен. Все, что окружает нас, будь то другие люди, животные, растения, видимые только под микроскопом мельчайшие частички и гигантские скопления звезд, микроскопические атомы и огромные туманности, составляет то, что принято называть Вселенной.

С незапамятных времен человеческий разум интересует вопрос о возникновении мира. Еще не существовало таких понятий как религия и наука, а человек уже задумывался о мироустройстве и своем положении в окружавшем его пространстве.

Возникновение Вселенной и на данный момент остается одной из самых интересных и не изученных загадок современной космологии. Как появилась Вселенная, какие процессы способствовали возникновению звезд, солнечных систем, галактик, планет, что было до появления Вселенной, имеет ли она начало и конец? Вот лишь немногие вопросы, ответы на которые пытаются получить современные ученые.

Вопрос о происхождении Вселенной является своего рода основополагающим. Загадка возникновения жизни на Земле, а также возможности зарождения жизни на других планетах, так или иначе раскрывается, исходя из теорий о рождении Вселенной.

Итак, гипотез о возникновении Вселенной существует множество, это и научные концепции, и отдельные теории, и религиозные учения, и философские представления, и мифы о сотворении мира древних июлей. 

Космологическая модель Канта

До начала XX в. среди ученых господствовала теория о том, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени, статична и однородна. Еще Исаак Ньютон сделал предположение о том, что она безгранична в пространстве, а немецкий философ Эммануил Кант, основываясь на работах Ньютона и развивая его идеи, выдвинул теорию о том, что у Вселенной также нет начала и во времени. Он ссылался на законы механики и ими объяснял все происходящие во Вселенной процессы.

В своей теории Кант продвинулся еще дальше, распространив ее также и на биологию. Он утверждал, что в не имеющей начала и конца древней и огромной Вселенной существует бесконечное число возможностей, благодаря которым на свет может появиться любой биологический продукт. Эта теория о возможности возникновения жизни во Вселенной позднее легла в основу теории Дарвина.

Космологическая модель Канта нашла подтверждение благодаря наблюдениям астрономов XVIII— XIX вв. за движениями светил и планет. В скором времени его гипотеза стала теорией, которая к началу XX в. уже считалась единственно верной. Она не вызывала сомнений, даже несмотря на светометрический парадокс, или парадокс темного ночного неба, заключающийся в том, что в бесконечной Вселенной существует нескончаемое количество звезд, сумма яркостей которых должна образовывать бесконечную яркость. Иными словами, ночное небо было бы полностью покрыто яркими звездами, а в реальности оно тёмное, так как количество звезд и галактик исчислимо.

Модель расширяющейся Вселенной (Вселенная Фридмана, нестационарная Вселенная)

В 1922 г. советский ученый А. А. Фридман разработал первую нестационарную модель Вселенной, которая также была основана на уравнениях общей теории относительности. Работы Фридмана остались в то время незамеченными, а А. Эйнштейн отвергал возможность расширения Вселенной.

Тем не менее, уже в 1929 г. астроном Эдвин Хаббл открыл, что галактики, находящиеся рядом с Млечным путем, удаляются от него, а скорость их движения при этом все время остается пропорциональной расстоянию до нашей галактики. Согласно этому открытию, звезды и галактики постоянно «разбегаются» друг от друга, а следовательно, происходит расширение Вселенной. В итоге Эйнштейн согласился с выводами Фридмана, а позднее говорил, что именно советский ученый стал основателем теории расширяющейся Вселенной.

Эта теория не находится в противоречии с общей теорией относительности, но если Вселенная расширяется, то должно было произойти некое событие, приведшее к разбеганию звезд и галактик. Это явление очень напоминало взрыв, поэтому ученые и назвали его «Большим взрывом». Однако если Вселенная появилась в результате Большого взрыва, то должна существовать Высшая первопричина (или Конструктор), позволяющая этому взрыву произойти.

Теория Большого взрыва

Теория Большого взрыва строится на том, что материя и энергия, из которых состоит все сущее но Вселенной, ранее находились в сингулярном состоянии, т.е. в состоянии, характеризующемся бесконечной температурой, плотностью и давлением. В состоянии сингулярности не действует ни один закон физики, а все, из чего на данный момент состоит Вселенная, заключалось в микроскопически малой частичке, которая в какой-то момент времени пришла в нестабильное состояние, в результате чего и произошел Большой взрыв.

Изначально теория Большого взрыва носила название «динамическая эволюционирующая модель». Термин «Большой взрыв» получил широкое распространение в 1949 г. после публикации работ ученого Ф. Хойла.

На данный момент теория Большого взрыва разработана настолько хорошо, что ученые берутся описать процессы, которые начали происходить во Вселенной через 10—43 с после Большого взрыва.

Существует несколько доказательств теории Большого взрыва, одним из которых является реликтовое излучение, пронизывающее всю Вселенную и возникшее в результате Большого взрыва благодаря взаимодействию частиц. Реликтовое излучение может рассказать о первых микросекундах после рождения Вселенной, о тех временах, когда она находилась и горячем состоянии, а галактики, звезды и планеты еще не образовались.

Изначально реликтовое излучение также было только теорией, и вероятность его существования рассматривал Г. А. Гамов в 1948 г. Измерить реликтовое излучение и доказать действительность его существования смогли только в 1964 г. американские ученые благодаря новому прибору, который обладал необходимой точностью. После этого реликтовое излучение печально исследовали с помощью наземных и космических обсерваторий, что позволило увидеть, какой была Вселенная в момент своего рождения.

Еще одним подтверждением Большого взрыва является космологическое красное смещение, которое заключается в уменьшении частот излучения, что доказывает удаление звезд и галактик друг от друга вообще, и от Млечного пути в частности.

Теория Большого взрыва ответила на множество вопросов о возникновении нашей Вселенной, но и вместе с тем стала причиной появления новых загадок, которые остаются без ответов и сейчас. Например, что же стало причиной Большого взрыва, почему точка сингулярности стала нестабильной, что было до Большого взрыва, как появилось время и пространство?

Многие исследователи, например Р. Пенроуз и С. Хокинг, изучая общую теорию относительности, добавили в ее уравнения такие показатели, как пространство и время. По их мнению, эти параметры также появились в результате Большого взрыва вместе с материей и энергией. Следовательно, у времени тоже есть определенное начало. Однако из этого также следует, что должна существовать некая Сущность или Высший разум, который не зависит от времени и пространства, и присутствовал всегда. Именно этот Высший разум и стал причиной возникновения Вселенной.

Изучение того, что было до Большого взрыва — новый раздел в современной космологии. На вопрос о том, что же было до рождения нашей Вселенной и что ей предшествовало, пытаются ответить многие ученые.

Эффект Доплера и обнаружение «разбегания» галактик.

Красное смещение, обусловленное эффектом Доплера, возникает в том случае, когда движение источника света относительно наблюдателя приводит к увеличению расстояния между ними. В релятивистском случае, когда скорость движения источника сравнима со скоростью света, красное смещение может возникнуть и в том случае, если расстояние между движущимся источником и приёмником не изменяется (поперечный эффект Доплера). Красное смещение, возникающее при этом, интерпретируется как результат релятивистского «замедления» времени на источнике по отношению к наблюдателю. Гравитационное красное смещение возникает, когда приёмник света находится в области с меньшим (по модулю) гравитационным потенциалом, чем источник. В классической интерпретации этого эффекта фотоны теряют часть энергии на преодоление сил гравитации. В результате характеризующая фотон частота уменьшается, а длина волны излучения растёт. Примером гравитационного красного смещения может служить наблюдаемое смещение линий в спектрах плотных звёзд – белых карликов. Наибольшие красные смещения наблюдаются в спектрах далёких внегалактических объектов - галактик и квазаров[6] - и интерпретируются как следствие расширения Вселенной.

При проведении спектральных исследований (в 1912 году) спиральных и эллиптических «туманностей» ожидалось, что если они действительно расположены за пределами нашей Галактики, то они не участвуют в её вращении и поэтому их лучевые скорости будут свидетельствовать о движении Солнца. Ожидалось, что эти скорости будут порядка 200 – 300 км/с, т. е. будут соответствовать скорости движения Солнца вокруг центра Галактики.

Однако лучевые скорости Галактик оказались гораздо больше, они составляли от 1200 км/с до 60900 км/с. В 1929 году Э. Хаббл уже имел возможность сопоставить скорость движения галактики V с расстоянием до неё r для 36 объектов. Оказалось, что эти две величины связаны условием прямой пропорциональности:

V= Hr

Это выражение получило название закона Хаббла, а постоянная H - постоянной Хаббла. Её численное значение Хаббл в 1929 году определил в 500 км/(с*Мпк). Однако он ошибся. После многократных исправлений и уточнений этих расстояний значение постоянной Хаббла сейчас принимается равным 50 км/(с*Мпк). Закон Хаббла используется для определения расстояний до далёких галактик и квазаров.

Если галактики разбегаются, то это значит, что раньше они были ближе друг к другу, иначе вся Вселенная вообще была сжата если не в точку, то в нечто очень маленькое, а потом последовал «большой взрыв». Зная скорость разбегания галактик после «большого взрыва», можно подсчитать и время, которое прошло со времени «взрыва». Проблема подсчёта этого времени не так уж и проста. Несмотря на очень сложные подсчеты никто до сих пор точного ответа не дал, однако в общем учёные сходятся на времени от 13 до 20 миллиардов лет.

Вопросы и задания

1. Какие вы знаете гипотезы о возникновении Вселенной.
2. В чем заключается теория Большого взрыва?
3. В чем заключается Эффект Доплера?