Основные определения icon

Основные определения



НазваниеОсновные определения
Дата конвертации27.01.2013
Размер143.02 Kb.
ТипДокументы
источник
1. /Галактики, метагалактики, вселенная.docОсновные определения

Общая астрономия. Далекая Вселенная.

Метагалактика

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ



Обсуждение фундаментальных вопросов Природы неизбежно сталкивается с трудностью определения объектов, подлежащих дискуссии. Эта сложность связана с тем, что всякое определение есть подведение под одно понятие другого более широкого. А фундаментальные науки (физика и астрономия) базируются, как правило, на самых широких понятиях и определить их, в общепринятом смысле слова, совсем не просто. Поэтому определение фундаментальных понятий сводится, обычно, к их описанию. Не исключением, а, пожалуй, классическим примером подобной ситуации является космология, базирующаяся на двух понятиях: Метагалактика и Вселенная. Весьма часто их отождествляют, что приводит к довольно нелепым (с точки зрения физика) утверждениям. Например: Вселенная возникла в некий момент i=0 «из ничего». На вопрос: что было при t<0 отвечают: либо ничего, либо сама постановка вопроса бессмысленна.





Несомненно, такого рода сентенции связаны с неопределенностью понятий Метагалактики и Вселенной и поэтому прежде, чем начать наш рассказ, необходимо их пояснить. Метагалактику определяют тремя согласующимися друг с другом методами. Первый - основан на экспериментах, из которых следует, что максимальные расстояния, которые можно наблюдать с помощью современной астрономической аппаратуры 15 млрд. св. лет. В пределах расстояния R сосредоточены все наблюдаемые звезды, галактики и скопления галактик. Второе определение связано с теоретическими представлениями о расширяющейся Вселенной Фридмана. Согласно этой теории максимальное наблюдаемое расстояние R также равно R. И, наконец, последний полуэмпирический метод основан на наблюдениях времени жизни старых звезд и галактик. Полагая, что Метагалактика расширяется со скоростью света c=300000 км/сек, получаем тот же самый характеристический размер R. Итак, Метагалактику можно определить как объем, заполненный звездами, галактиками и имеющий размеры R. Разумеется Солнечная система располагается внутри этого объема.


Что же такое Вселенная? По современным представлениям это все сущее, включая и Метагалактику. Более того, согласно некоторым теориям размеры Метагалактики составляют ничтожно малую часть Вселенной. С первого взгляда кажется, что мы запутались в определениях. Как можно говорить об объектах, находящихся вне наблюдаемого объема с радиусом R? Ответ весьма прост. Помимо приборов, в распоряжении человека есть также и его разум, позволяющий расширить горизонт эмпирических данных. Наши представления о Вселенной базируются на современных теоретических представлениях.

ФРИДМАНОВСКАЯ МОДЕЛЬ МЕТАГАЛАКТИКИ



О фридмановской модели написано очень много книг и статей' и поэтому нецелесообразно останавливаться на ней подробно. Мы лишь кратко затронем ее некоторые аспекты, подчеркнув предварительно, что модель Фридмана, в " соответствии с нашей терминологией, следует использовать только для описания Метагалактики. Фридмановская модель основана на следующих постулатах:

1. Эволюция Метагалактики в целом определяется исключительно силами гравитации.

2. Пространство Метагалактики изотропно (то есть в нем отсутствуют выделенные направления).

3. Пространство Метагалактики однородно (то есть все точки вдоль любого направления равноправны).


Наиболее простыми (или известными) структурами, в которых выполняются два последних постулата — это трехмерное пространство Евклида и пространство двумерной сферы. Из уравнений, описывающих гравитацию и из этих постулатов Фридмана можно вывести зависимость радиуса Метагалактики R или масштабного фактора а (расстояния между двумя фиксированными точками) от времени t, прошедшего от начала ее расширения. Для сравнительно малых значений времени эта зависимость имеет простую форму: Фридмановская модель хорошо подтверждается наблюдательными данными. Изотропия Метагалактики подтверждается наблюдениями.


В послужном списке фридмановской модели имеется ряд важнейших количественных выводов, подтвержденных наблюдениями. Отметим два, на наш взгляд, наиболее существенных предсказания. 1. Существование, изотропия и температура реликтового излучения. Реликтовое излучение — результат эволюции излучения, возникшего в первые мгновения после начала расширения. В соответствии с теорией, оно изотропно и имеет температуру 3 °K. 2. Из теории следует, что в Метагалактике должны присутствовать ядра гелия примерно в количестве 25 % от полного количества вещества. Это предсказание также подтверждается наблюдениями.


И в заключение, отметим еще одно важное предсказание фридмановской модели. Если средняя плотность о вещества в нашу эпоху меньше или равна некой критической плотности вещества, то Метагалактика должна расширяться неограниченно. Такая Метагалактика называется открытой. Если плотность меньше, то расширение Метагалактики должно смениться ее сжатием и радиус Метагалактики должен в конечном счете обратиться в нуль. Такая Метагалактика называется закрытой. К сожалению, дать на основе наблюдений окончательный ответ о характере эволюции Метагалактики невозможно. Из многочисленных опытов следует, что средняя плотность у светящегося вещества в Метагалактике примерно в 30 раз меньше критической плотности. Отсюда, казалось бы, можно сделать вывод, что Метагалактика является открытой структурой. Однако многие физики и астрономы убеждены в существовании невидимых форм вещества (нейтрино или какие-нибудь иные нерегистрируемые приборами частицы), вносящих существенный вклад в суммарную плотность материи. Поэтому вопрос о структуре эволюции Метагалактики остается открытым.


ПРОБЛЕМЫ ФРИДМАНОВСКОЙ МОДЕЛИ


Успехи фридмановской модели породили некое ощущение завершенности космологии. Метагалактика отождествлялась со Вселенной, и теорию Фридмана можно было считать ее законченной моделью. Практически все наблюденные характеристики хорошо интерпретировались в рамках этой модели. Тем не менее, внимательный анализ следствий фридмановской модели, свидетельствующий о ее внутренней незамкнутости, порождал у наиболее проницательных ученых скепсис относительно ее законченности. Остановимся на некоторых проблемах фридмановской модели.





1. Сингулярность. При а=0 радиус Метагалактики R также стремится к нулю. Следовательно, при Тд=0, ее объем обращается в нуль, а тогда в этот момент средняя плотность о вещества равна бесконечности. Весь опыт физики свидетельствует, что если в теории явления какая - либо величина обращается в бесконечность при конкретном значении одного из параметров теории, то последняя становится неприменимой при этом значении. Стандартный выход из тупика — конструирование новой, более совершенной теории, включающей старую как некое приближение. Следствие фридмановской модели при t=0 называется сингулярностью и составляет одну из ее основных проблем.

Схема квантовомеханического потенциального барьера. Кружок символизирует начальное состояние раздувающейся Вселенной. Пунктирная линия показывает стадию раздувания. Крестики соответствуют тем состояниям вакуума, при которых вселенные не образуются.


2. Проблема горизонта. Одно из основных понятий теории относительности — причинно-связанные явления. События А и В называются причинно-связанными, если А — причина события В. Условие причинности имеет простой физический смысл: возмущение, возникшее в точке А не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света. Максимальное расстояние, при котором возможна передача информации и называется горизонтом событий. В соответствии с моделью Фридмана и наблюдательными данными в современную эпоху R=1028см, то есть радиус Метагалактики является ее горизонтом. Это обстоятельство кажется вполне невинным. Однако оно превращается в грозную проблему, если его связать с исключительной изотропией Метагалактики. Как причинно-несвязанные области Метагалактики могли подстроиться друг к другу, чтобы сформировать изотропию? Этот вопрос и составляет «проблему горизонта». Заметим, что А. Д. Линде насчитал около 10 проблем фридмановской космологии.


Авторство, источник и публикация:

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'

2. Автор - И. Л. РОЗЕНТАЛЬ, доктор физико-математических наук


ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ







Чтобы подойти к решению проблем фридмановской космологии, нужно пояснить понятие физического вакуума. Физическим вакуумом называют состояние, в котором отсутствуют реальные частицы, а плотность потенциальной энергии V имеет минимум. Почему сделан акцент на прилагательное «реальные»? В соответствии с квантовой теорией поля помимо реальных (обычных, наблюдаемых) частиц существуют также и виртуальные частицы, время жизни t которых чрезвычайно мало. Время определяется квантовомеханическим соотношением неопределенности. Тем не менее, есть косвенные доказательства существования виртуальных частиц. Вычисления, основанные на гипотезе существования физического вакуума (точнее многократных взаимодействий реальных частиц с виртуальными), приводят к предсказаниям, подтвержденным на опыте с фантастической точностью. Так, отличие магнитного момента электрона от боровского магнетона (аномальный магнитный момент) обязано многократному взаимодействию электрона с виртуальными частицами. Аномальный магнитный момент электрона вычислен с точностью до одиннадцатого знака и прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Этот факт, так же как и другие результаты, убедительно подтверждает реальность физического вакуума как нового физического состояния материи. О том, что это новое состояние, свидетельствует следующий факт. Важнейшей характеристикой физической системы является уравнение состояния е=f(Р), связывающее давление (Р) и плотность энергии (е). В обычных системах зависимость f(Р) — монотонно возрастающая функция. Обе величины е и Р существенно положительны. Этот вывод отражает хорошо известный факт: при увеличении числа частиц в единице объема возрастает их давление. Система, состоящая из частиц, как бы стремится вытолкнуть из занимаемого ею объема новые частицы.


Вакуум же характеризуется весьма нетривиальным уравнением состояния: е = -Р. Следовательно, одна из величин, например, давление Р, имеет отрицательное значение. Поэтому, в отличие от обычных форм вещества, частицы составляющие вакуум, стремятся «затащить» в свой объем другие частицы, увеличивая тем самым плотность энергии е. Вакуумное состояние, вообще говоря, неустойчиво. Если бы в вакууме не действовали внутренние силы, то он либо распался, либо «затащил» бы все реальные частицы так, что в мире не было бы иного состояния, кроме вакуумного. Однако сейчас полагают, что между составляющими вакуум частицами существует взаимодействие, которое характеризуется значительным потенциальным барьером. Наличие этого барьера препятствует распаду вакуума или превращению всех реальных частиц в виртуальные. Потенциальный барьер разделяет реальные и виртуальные миры. Однако необычное уравнение состояния препятствует полной стабилизации вакуума, частицы которого движутся в пространстве, ограниченном потенциальным барьером. Наглядно (но весьма упрощенно), проще всего представить вакуум в виде жидкости, кипящей в замкнутом сосуде.




РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ


Схема раздувания и фридмановского расширения Метагалактики. На рис. А изображены фазовые переходы в вакууме, приводящие к образованию метагалактики (t=0). В этот момент плотность энергии вакуума (e) резко уменьшается. Вследствие огромного различия в скоростях раздувания и расширения приведенный рисунок является лишь иллюстрацией.


В начале нашего десятилетия появилась модель раздувающейся Вселенной. В развитии новой теории, призванной устранить проблемы фридмановской космологии, активное участие приняли А. Гус (США), А. Д. Линде, А, А. Старобинский (СССР) и другие талантливые физики. Основная идея новой космологии строится на допущении, что начальные моменты расширения Вселенной осуществляются в вакууме. С первого взгляда, такая идея кажется абсурдной, поскольку она находится в противоречии с утверждением о стабильности вакуума. В действительности же, потенциальный барьер не является абсолютным препятствием для просачивания частиц. С точки зрения квантовой механики всегда существует конечная,— хотя как правило, очень малая — вероятность прохождения объекта через потенциальный барьер. Поэтому существуют две возможности. Согласно первой, наиболее вероятной, вследствие неустойчивости вакуума в нем непрерывно возникают возмущения, которые затухают на расстояниях r Поясним физический смысл r. Эта величина характеризует размеры возмущений в вакууме. Согласно общепринятой точке зрения, в вакууме, соответствующему объединению всех известных взаимодействий, расстояние должно определяться универсальными фундаментальными постоянными: G — ньютоновской постоянной тяготения; с — скоростью света и p — постоянной Планка. Из соображений размерности величина r=(Gp/c2)1/2 ~ 10 -33 см расстояние r — называется обычно планковской длиной в честь М. Планка, который впервые ввел ее в физику на заре нашего столетия. Однако существует и вторая, чрезвычайно редкая возможность:возмущение проходит потенциальный барьер. И в этот момент (длящийся примерно 10-35 с) происходит важнейшее (а для нашего очерка центральное) событие. Возмущение очень быстро (экспоненциально) развивается в вакууме. В отличие от формулы (1) в этом случае возмущение расширяется по закону: R ~ exp(bt) = ebt (2) При достаточно большом значении константы b Вселенная, даже за очень короткий промежуток времени 10-35с. увеличивается до гигантских размеров, превышающих намного порядков (по некоторым оценкам на миллион) размеры Метагалактики. Что же происходит далее с этим гигантским пузырем? Как уже отмечалось, всякое состояние в вакууме неустойчиво и через промежуток времени 10 -35 с, оно распадается на множество областей, порождающих свои метагалактики. В этот момент происходит и существенное изменение структуры вакуума. Если до возмущения плотность энергии е была чрезвычайно велика, то после распада она оказывается очень малой. Во время перехода вакуума из одного состояния в другое осуществляется также и трансформация режима раздувания (2) в фридмановский режим (1). Вселенная распадается на множество метагалактик. Совершенно не очевидно, что эти метагалактики должны быть тождественны друг другу. Более того, даже первичные «пузыри» — вселенные — также могут не быть тождественными. Просачивание через потенциальный барьер вследствие начальных флуктуации может осуществляться из разных точек. Поэтому характеристики стадии раздувания, а, следовательно, метагалактик могут быть существенно различными. Введение экспоненциальной стадии решает все проблемы фридмановской космологии. Экспоненциальное решение (2) не имеет сингулярности. Оно обращается в нуль лишь при значении tв равным бесконечности. При любом конечном значении tв оно также остается конечным. Этот вывод согласуется и с простой физической картиной, нарисованной выше. Раздувание начинается при планковской длине 10 -33 см. Аналогично решается и проблема горизонта.


КАК ВОЗНИКАЮТ МЕТАГАЛАКТИКИ?





Итак, в соответствии с современными воззрениями, естественно допустить, что Метагалактика возникла при распаде Вселенной в конце стадии раздувания одновременно с другими метагалактиками. Праматерией, из которой возникают вселенные, является вакуум. Можно допустить, что вакуум существует вечно в следующем смысле. Сейчас полностью отсутствуют теоретические или, тем более, экспериментальные основания домысливать, что было, когда не было ничего, в том числе и вакуума. По оценкам, следующим из соображений размерности плотность энергии вакуума чрезвычайно велика сравнительно с земными (или галактическими) масштабами. Эта вакуумная энергия затрачивается на расширение Вселенной, а затем Метагалактики. Она расходуется также на образование новых частиц. Естественно, что все эти процессы сопровождаются фазовыми переходами, происходящими в вакууме. Здесь нужно отметить, что до сих пор рассматривалось рождение Вселенной в результате квантово-механического прохождения возмущения через потенциальный барьер. Нельзя исключить, что в результате распада Вселенной образуются закрытые метагалактики, которые в конце своего существования, когда сжатие сменит расширение, попадут в вакуум, порождая новые метагалактики и вселенные.


Далее полезно сделать одно замечание. Сейчас довольно оживленно дебатируется схема возникновения Метагалактики или Вселенной из «ничего». Нам представляется подобная схема неудовлетворительной. Следует подчеркнуть, что в рамках такой схемы возникает вопрос: как она согласуется с законом сохранения энергии? Очевидно, что энергия «ничего» равна нулю. Обычно, сторонники этой теории отвечают, что в соответствии с теорией относительности, полная энергия закрытой Метагалактики равна нулю, поскольку кинетическая энергия, находящихся в ней частиц, точно компенсируется их энергией покоя, заключенной в массе. Но в любом случае вообразить, что образование таких объектов, как Вселенная или Метагалактика из «ничего» совсем не легко.


СОВРЕМЕННАЯ КОСМОЛОГИЯ И ОПЫТ


Симбиоз моделей раздувающейся и расширяющейся (фридмановской) Вселенной решает проблемы замкнутости современной космологии. Однако принципиально из-за существования горизонта, нельзя непосредственно наблюдать объекты, находящиеся вне Метагалактики. Однако существует сравнительно много косвенных подтверждений следствий модели раздувающейся Вселенной, Остановимся на двух, на наш взгляд, наиболее важных результатах. Эта модель предсказывает, что средняя плотность вещества в Метагалактике: 10-29 г/см. Хотя непосредственные наблюдения свидетельствуют, что это так, однако расчеты устойчивости скоплений галактик показывают, что вещества должно быть, по крайней мере, на порядок больше. Следующая группа доказательств основана на несколько нестандартном подходе и мы рассмотрим его подробнее, поскольку он связан с хорошо изученными закономерностями физики элементарных частиц.


Остановимся вначале на методе рассуждений, а затем подробно рассмотрим один пример. Суть этого подхода основывается на следующей идее. Изменим (разумеется, мысленно) величину одной из фундаментальных постоянных и посмотрим какова будет структура такой воображаемой метагалактики. Оказывается, что подобная вариация фундаментальных постоянных фатально приводит к однозначному результату. Измененная метагалактика становится обедненной отсутствует один (или несколько) из основных элементов, составляющих нашу Метагалактику. Под основными элементами подразумеваются атомные ядра, атомы, молекулы, звезды и галактики. Меньшее изменение фундаментальных постоянных должно обязательно привести к обеднению мира. Более того, оказывается, что существующие в нашей Метагалактике значения фундаментальных постоянных, как правило, являются гигантскими флуктуациями. Тогда возникает собственный вопрос: почему в нашей Метагалактике существует набор фундаментальных постоянных, обеспечивающий многоцветие, сложность ее структуры? Если не выходить за рамки физических представлений, то ответ будет единственным: существует множество метагалактик с разными структурами, более простыми, чем наша Метагалактика. Реализация в ней сложной структуры есть следствие некоего вероятностного закона и является большой флуктуацией. Но существование множества метагалактик — основное следствие модели раздувающейся Вселенной и поэтому приведенные выше рассуждения косвенно подтверждают ее основу. Остановимся далее на одном важном примере.


Атом водорода, состоящий из протона и электрона, абсолютно стабильный элемент, хотя в соответствии с теорией взаимодействий элементарных частиц может произойти превращение прогона и электрона в нейтрон и нейтрино. Подобный коллапс атома водорода не происходит по единственной причине: он запрещен законом сохранения массы (энергии). Суммарная масса протона и электрона меньше массы нейтрона.


Однако достаточно увеличить (разумеется умозрительно) массу электрона более, чем в 2,5 раза, чтобы суммарная масса протона и «утяжеленного» электрона превзошла бы массу нейтрона. И в таком случае коллапс атома водорода был бы неизбежен. Рассмотрим эволюцию Метагалактики, в которой все было бы «по - нашему», исключая утяжеления электрона. С первого взгляда кажется, что последствия подобной гипотезы были бы сравнительно незначительными; в такой Метагалактике отсутствовал бы один химический элемент — водород. Подобный оптимистический взгляд на изменение структуры Метагалактики кардинально неверен.


Дело в том, что в соответствии с современной космологией в Метагалактике существовала эра нейтрального водорода (при 107 лет) и именно в эту эпоху возникают галактики и звезды; в процессе их эволюции образуются тяжелые элементы периодической системы. В Метагалактике с «утяжеленным» электроном весь водород превратится в ней нейтроны и нейтрино, все галактики и звезды будут состоять исключительно из нейтронов и нейтрино. Все элементы периодической системы будут отсутствовать. Возникает образ «нейтронной» Метагалактики. Таково последствие «утяжеления» электрона более чем в 2,5 раза. И далее возникает важнейший вопрос. Велико или мало «утяжеление» электрона в 2,5—3 раза? Чтобы ответить на этот вопрос, целесообразно использовать хорошо установленные экспериментальные данные о распределении элементарных частиц по массам. Оказывается, что более 90 % элементарных частиц имеют массу в тысячу раз превышающую массу электрона. Более того, можно, используя это экспериментальное распределение, оценить вероятность того, что масса одной из частиц будет заключена в интервале (0 - 2,5) • m, необходимом для образования всего «многоцветия» периодической системы. Оказывается, что эта вероятность очень мала; она менее одной миллионной!


Таким образом, малость массы электрона — большая флуктуация в мире элементарных частиц. Этот пример, как и анализ малых изменений других фундаментальных постоянных (констант взаимодействий элементарных частиц, масс протона и нейтрона, размерности пространства), свидетельствует, что структура Метагалактики неустойчива в следующем смысле: эти небольшие изменения приводят к «исчезновениям» одного или нескольких основных элементов Метагалактики: атомных ядер, атомов, звезд и галактик. Сложность структуры Метагалактики находится в строгом соответствии с численными значениями фундаментальных постоянных. Этот факт имеет единственную физическую интерпретацию; существует множество метагалактик, а сложность структуры нашей Метагалактики практически однозначно отбирает численные значения фундаментальных постоянных. Существуют другие метагалактики с измененными значениями этих постоянных. Такие метагалактики имеют более простую структуру, чем наша Система.


Авторство, источник и публикация:

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'

2. Автор - И. Л. РОЗЕНТАЛЬ, доктор физико-математических наук




Похожие:

Основные определения iconИздания. Основные виды. Термины и определения
Настоящий стандарт распространяется на издательскую продукцию и устанавливает термины и определения основных видов изданий
Основные определения iconОсновные определения

Основные определения iconУправленческой деятельности заместителя директора школы
В статье представлены основные этапы формулирования целей, подходы к выбору методов (способов) их определения, критерии эффективности...
Основные определения iconЗадание Назовите две основные составляющие понятия здоровья и дайте им определения. Вариант ответа
Задание Назовите две основные составляющие понятия здоровья и дайте им определения
Основные определения iconЗадача. Экзаменатор
Понятие о графе и основные определения теории графов. Бинарные отношения и графы. Операции над графами
Основные определения iconЛекция основные понятия и определения
Тема: Основы автоматизированного проектирования конструкций и технологических процессов электронно-вычислительных средств (эвс)
Основные определения iconПрограмма для подготовки к итоговому экзамену по дисциплине «Математика»
Линии второго порядка на плоскости. Окружность и эллипс. Определения, уравнения, основные свойства
Основные определения iconГост р 50922-96 государственный стандарт российской федерации
Настоящий стандарт устанавливает основные термины и их определения в области защиты информации
Основные определения iconСписок вопросов по дисциплине
Сущность стандартизации. Основные термины и определения. Уровни стандартизации. Функции стандартизации
Основные определения iconЛекция Социальные действия и взаимодействия (основные определения)
Т. Парсонс: Общество – тип социальной системы, достигающий самого высокого уровня самодостаточности как система по отношению к своему...
Основные определения icon1. Основные понятия и определения
Предметом исследоавания является общие и специфические законы действующие в орг системах. Основными функциями являются: 1 познавательная...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©lib2.podelise.ru 2000-2013
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы