Расширение вселенной и красное смещение

Страница 4

В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И. М. Ха­латников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали пред­положение, что большой взрыв — особенность лишь моделей Фридмана, которые, в конце концов, дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено, что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингу­лярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману, все галактики удаляются в пря­мом направлении друг от друга, и поэтому нет ничего удивитель­ного в том, что когда-то в прошлом все они находились в одном месте. Однако в реально существующей Вселенной галактики ни­когда не расходятся точно по прямой: обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. По­этому на самом деле галактикам не нужно находиться точно в одном месте — достаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселен­ная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжа­тии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, был ли на­чалом Вселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников заня­лись изучением моделей, которые в общих чертах были бы по­хожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный харак­тер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если га­лактики не всегда разбегаются по прямой, но это могло выпол­няться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходит определенным образом. Посколь­ку же моделей фридмановского типа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую син­гулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа, которые содер­жат сингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галак­тики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.

Тем не менее, их работа имела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, то Все­ленная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно было быть начало вре­мени — большой взрыв? Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из пове­дения световых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием соб­ственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверх­ность которой, в конце концов, сжимается до нуля. А раз поверх­ность этой области сжимается до нуля, то же самое должно про­исходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет син­гулярность в некой области пространства-времени, называемая черной дырой.

Несмотря на то, что теорема Пенроуза относилась, на первый взгляд, только к звездам, С. Хокинг, автор книги «От Большого Взрыва до черных дыр», прочитав в 1965 г. о теореме Пенроуза, согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапса должно в конце концов сжаться в сингулярную точку, понял, что если в этой теореме изменить направление времени на обратное, так чтобы сжатие перешло в расширение, то эта теорема тоже будет верна, коль скоро Вселенная сейчас хотя бы грубо приближенно описывается в крупном масштабе моделью Фридмана. По соображениям технического характера в теорему Пенроуза "оыло введено в качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве. Поэтому на основании этой теоремы Хокинг мог доказать лишь, что сингулярность должна существовать, если расширение Вселенной происходит достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие (ибо только такие фридмановские модели бесконечны в пространстве). Потом Хокинг несколько лет разрабатывал новый математический аппарат, который позволил бы устранить это и другие техничес­кие условия из теоремы о необходимости сингулярности. В итоге в 1970 г. Хокинг с Пенроузом написали совместную статью, в кото­рой наконец доказали, что сингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясь только на то. что верна общая тео­рия относительности и что во Вселенной содержится столько ве­щества, сколько мы видим.

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ — увеличение длин волн линий в спектре источника (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Количественно красное смещение характеризуется обычно величиной ž=(λприн — λисп)/λисп, где λисп и λприн - соответственно длина волны, испущенной источником, и длина вол­ны, принятой наблюдателем (приёмни­ком излучения). Известны два механиз­ма, приводящих к появлению красного смещения.

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 (т. н. 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 φ, чем источ­ник. В классической интерпретации этого эффекта фотоны теряют часть энергии (энергии фотона ε = hν0) на преодоле­ние сил гравитации. В результате харак­теризующая фотон частота ν уменьшает­ся, а длина волны излучения λ = c/ν растёт: ν= ν0(l + (φ1 – φ2)/с2), где φ1 и φ2 – гравитационные потенциалы в местах генерации и приёма излучения. 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 — и интер­претируются как следствие расширения Вселенной. Величина z в первом приближении прямо пропор­циональна лучевой скорости объектов, которая для внегалактических объектов про­порциональна расстоянию r. Зависи­мость z от r часто называют законом Хаббла:

cz = Hr, а величину H - постоянной Хаббла. Закон Хабб­ла обычно используется для определе­ния расстояний до внегалактических объек­тов по их красному смещению, если последнее доста­точно велико (10-3<z<1, см.). Красное смещение для наиболее далёких из известных галактик составляют ~ 1, а для ряда квазаров превышают 3,5.

Список использованной литературы:

С. Хокинг «От Большого Взрыва до черных дыр»

Физика космоса: маленькая энциклопедия.