Phoenix Criminal Lawyer
сентября 7, 2009

 


 


Новости физической науки обыч­но воспринимаются по-разному, в зависимости от того, насколько слу­шатель (или читатель) знаком с той или иной стороной предмета. Только нечас­то бывает, чтобы новое сенсационное открытие задело буквально всю физи­ку. Так было, например, в начале XX века, когда создавались теория относи­тельности, квантовая механика, а в об­ласти техники — вакуумная электрони­ка. В университетах лекторы с каким-то оттенком зависти до сих пор рассказы­вают студентам о том фантастическом времени, когда разом появились такие гиганты, как А. Эйнштейн, Н. Бор, П. Дирак и другие блестящие ученые, перевернувшие всю классическую фи­зику. Понадобилось несколько поколе­ний, чтобы новые физические идеи ор­ганично впитались наукой, а затем ста­ли плодоносить (иногда, увы, грибами термоядерных взрывов). Революцион­ные научные и технические достиже­ния второй половины XX века основы­вались, главным образом, на гигант­ском прогрессе в физике твердого тела, прежде всего, полупроводников. Но на новом стыке веков в науке стали разво­рачиваться события, масштаб которых вполне сопоставим с тем, что было в на­чале XX века. На международных кон­ференциях доклады о новостях космо­логии собирают массу народа. Нового Эйнштейна пока не видно, но дело заш­ло очень далеко. Речь в предлагаемой статье пойдет о новых открытиях, кото­рые привели к небывало глубокой реви­зии представлений о Вселенной, в кото­рой мы обитаем.

В начале столетия

Странные дела происходят в науке почему-то каждый раз в начале века.

100 лет назад А. Эйнштейну показа­лось, по-видимому, мало созданной им в 1905 г. теории фотоэффекта (за которую в 1922 г. он был удостоен Нобелевской премии). В период 1905-16 гг. он опубликовал ряд своих зна­менитых работ по Общей Теории Отно­сительности (за которые, кстати, пре­мии его не удостоили). Тогдашняя астрономическая наука была совер­шенно уверена в стабильности и неиз­менности Вселенной. На том она и сто­яла. И Эйнштейн тогда был того же мнения. В исходном виде его уравне­ния содержали только одну констан­ту, ньютоновскую гравитационную постоянную 8ttGc . Однако из его уравнений сразу следовало, что Все­ленная устойчивой, «заморожен­ной», быть не может, что вызывало у автора беспокойство. Чтобы спра­виться с этой неприятной особеннос­тью непослушных уравнений, он ввел в них своеобразную компенсацию этой нестабильности в виде того, что потом получило название «ламбдачлен». Эйнштейн вовсе не придавал ему того физического смысла, который стал просматриваться в начале 80-х. Но во второй половине XX века ламбдачлен стал любимой темой дискуссий физи­ков-теоретиков. Чем дальше, тем боль­ше. С началом XXI века создается впе­чатление, что важнее ламбдачлена в физике вообще ничего нет. И в самом деле, за этим термином таится масса еще не известных свойств гигантской новой области астрофизики, космоло­гии, да по существу и всей физики. Об­ласть эта намного превосходит все, что нам до сих пор было известно.

Здесь уместно напомнить, что ровно 100 лет назад, с наступлением XX века, многие ведущие теоретики утвержда­ли, что в физике уже «практически все открыто», остались лишь несколько «небольших облачков над горизонтом». Из этих «небольших облачков» роди­лись квантовая механика, теория относительности (как ни странно, несовмес­тимая в нынешнем виде с квантовой ме­ханикой), ядерная физика, электрони­ка, физика твердого тела и практичес­ки все современные высокие техноло­гии… Бывает, что даже очень знающие люди склонны недооценивать гряду­щий научный прогресс. Ученый XIX века Г. Кирхгоф оставил в физике за­кон излучения и известные школьни­кам законы разветвления токов. Так вот, когда еще лет за 20 до конца XIX века Кирхгофу рассказали о каком-то новом физическом открытии, он ух­мыльнулся саркастически: а разве в физике осталось что открывать? При­мерно такие же высказывания можно было услышать и от очень, очень извес­тных ученых даже в последние десяти­летия XX века. Впрочем, это не всегда было так. Еще 2000 лет назад(!), в I веке н.э., в Книге 7 «Вопросов природы» вос­питатель Нерона Л.А. Сенека писал: «Время придет, когда наших потомков будет забавлять, что мы не знали поня­тий, которые они считают такими прос­тыми… Многие открытия предназначе­ны для будущих веков, когда уже сама память о нас сотрется… Природа не раскрывает свои тайны раз и навсегда».

Стационарная Вселенная невозможна

Вернемся к 20-м годам прошлого ве­ка. Революционную Теорию относи­тельности Эйнштейна сразу же принял математик А.А.Фридман, который при­надлежал к Петербургской математи­ческой школе и был тогда директором Санкт-Петербургской Геофизической обсерватории. Он быстро понял, что в уравнениях Эйнштейна нет места для стационарной Вселенной, и в своих ра­ботах показал неизбежность ее расши­рения. Более того, Фридман был пер­вым, кто высказал мысль о том, что ког­да-то Вселенная могла быть сжатой до невообразимо высокой плотности. Сей­час это понятие, основанное на итогах науки XX века, известно каждому сту­денту-естественнику. Но как к такой мысли мог прийти Фридман, когда в его время даже о существовании других галактик ничего не было известно? Он писал:   «Возможны случаи, когда Вселенная сжимается в точку (в ничто), затем снова из точки доводит радиус свой до некоторого значения…». Эйн­штейн поначалу не понял работ Фрид­мана. Он оставался на своих позициях и сначала даже выступил в печати с критикой его работ (1922 г.). Но через год он опубликовал новую статью в том же журнале, в которой писал, что Фридман прав. Одновременно с работами Фридмана к Эйнштейну приходили захватываю­щие новости из наблюдательной аст­рофизики. Еще в 1912 г. астроном В. Слайфер из Флагстафской обсервато­рии в Аризоне (США), наблюдая спек­тры некоторых странных туманностей, обнаружил, что линии в их спектрах сильно смещены в «красную» сторону. Позже это явление было названо «крас­ным смещением»2. Свои результаты Слайфер опубликовал в том же 1917 г. Тогда не было известно, что «странные» туманности — далекие гигантские ост­рова звезд, другие галактики, подоб­ные нашей. Более того, о существова­нии других галактик вообще никто ни­чего не подозревал. Хорошее было вре­мя: Галактика потрясала своими раз­мерами, а с ней отождествлялась и вся Вселенная. Как не вспомнить, что и Земля когда-то была плоской, той, что в пределах горизонта. Слайфер продол­жал свои наблюдения много лет. Затем к нему присоединился Э. Хаббл с его бо­лее мощным телескопом — в его распо­ряжении был самый большой на тот мо­мент 2,5-метровый рефлектор обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии (США). В 1927-29 гг. Хаббл пришел к выводу, что «красное смещение» — это следствие взаимного удаления галактик. Отсюда оставался один шаг, чтобы по­нять, что Вселенная расширяется, как и предсказывал Фридман. Интересно от­метить, что другое фундаментальное свойство Вселенной в 1948 г. предсказал ученик Фридмана Г. Гамов, который после 1933 г. работал в Европе и США. Хаббл обнаружил, что чем дальше нахо­дятся галактики, тем с большой скорос­тью они удаляются. Оказалось, что ско­рость удаления галактики просто опре­деляется умножением расстояния до нее на некоторую константу, которая и полу­чила название постоянной Хаббла.

Вселенская Постоянная

Скорости разбегания галактик, рас­считанные по «красному смещению», получаются огромными, до сотен тысяч км/с, а где-то приближаются к скорос­ти света. Исследователи быстро сообра­зили, что на определенном расстоянии галактики просто перестанут быть вид­ны, а именно там, где скорость их уда­ления сравняется со скоростью света. Это расстояние — горизонт Вселенной. Из совсем современных данных (в томчисле о постоянной Хаббла) получает­ся, что горизонт отстоит от нас на 13,7 миллиарда… Чего? Здесь впору вспом­нить сержанта, который велел солда­там копать канаву «отсюда и до обеда». Расстояние в астрофизике измеряют в световых годах, — временем, которое требуется свету, чтобы его преодолеть (или в парсеках, что составляет 3,26 светового года). В километрах 1 свето­вой год выражается единицей с 13 ну­лями, или 10 триллионами (т.е. милли­онами миллионов) километров. А 13,7 миллиарда лет потребовалось бы для того, чтобы свет от звезд такой вообра­жаемой галактики на горизонте Вселен­ной дошел до нас. И звезд, и этих дале­ких галактик, скорее всего, давно уже нет, но их свет все еще несется к нам. Интересно, что еще до того, как Хаблл ввел свою постоянную, Фридман из сов­сем других соображений оценил рассто­яние до горизонта Вселенной в 10 мил­лиардов световых лет. Если для простоты считать, что вре­мя во всей Вселенной течет одинаково, легко понять, что соседей наших (т.е. близкие галактики) мы видим почти такими же, в том же возрасте, как они есть. Но галактика, удаленная на рас­стояние миллиона световых лет, видит­ся на миллион лет моложе. Миллион световых лет — это, по небесным мер­кам, сущие пустяки. Астрономы наб­людают галактики на расстоянии в миллиарды световых лет и больше. Со­ответственно, они видятся уже на мил­лиарды лет моложе. Таким образом, выбор расстояния — это одновременно и выбор возраста исследуемого объек­та, разрез Вселенной во времени. Чем дальше вы смотрите, тем более давние события видите, тем моложе там Все­ленная. Почти вплоть до ее рождения. До точки, из которой в один миг и сразу во всей Вселенной началось разбегание всей ее материи. Первым в 50-х годах о природе этой точки задумался уже упо­минавшийся Георгий Гамов. Другой известный астрофизик, Фред Хойл, назвал начало разбегания «Большим Взрывом». Название прижилось. Из­любленным хобби обоих астрофизиков были размышления о происхождении жизни. И не только размышления. Г. Гамов был первым, кто еще до био­физиков расшифровал код аппарата наследственности. А Ф. Хойл, проведя расчеты, происхождение жизни ил­люстрировал таким примером. Разло­жите на площади все детали разобран­ного до винтика большого авиалайнера и дождитесь урагана. Вероятность воз­никновения живой клетки такова же, как то, что ураган случайно соберет все детали в готовый к взлету самолет.

 

Сингулярность

Но вернемся к разбеганию Вселен­ной. Получается, что 13,7 миллиарда лет назад (не световых, а обыкновен­ных лет времени) вся она находилась в некой таинственной точке. Эту таинс­твенную точку физики называют «син­гулярностью» (как у медиков — если чего не понимаешь, назови по латыни, чтобы пациент уважал). В сингуляр­ности по неизвестным нам причинам возник немыслимый взрыв, выбросив­ший все вещество Вселенной в разные стороны с такой скоростью, что оно до сих пор летит и не может остановиться. Что, кстати, заслуживает особого вни­мания. Снаряд, выброшенный вверх, замедляет свой полет и начинает па­дать, когда его кинетическая энергия израсходована на преодоление земного притяжения (и неизбежных потерь). Замедление ракеты компенсируется расходом топлива, необходимым, что­бы вырваться из поля тяготения Земли и Солнца. В разбегании галактик, как и у снаряда, расходуется их кинетичес­кая энергия, поэтому скорость их дви­жения после «выстрела» постепенно должна замедляться. Но с «выстрелом» у астрофизики начинаются большие трудности, причем связаны они не только с материей Вселенной, но и с Его Величеством Временем. Многие (но не все) космологи считают, что в этой та­инственной точке возникла не только материя, но и время Вселенной; рань­ше ни время, ни пространство не сущес­твовали. Вопрос о происхождении вре­мени тоже не вчера возник. В V веке на вопрос «что Бог делал прежде сотворе­ния мира?» Блаженный Августин пред­лагал радикальный ответ: «Время — само творение Бога. Никакого прежде не было».

Постоянная Хаббла — прекрасный инструмент. Фактически, если найде­ны красные смещения, расстояния уже можно считать известными. Естествен­но, не сразу все устроилось. Здесь надо сказать, как во времена Слайфера-Хаббла определялись сами расстояния. Астрофизики обнаружили, что среди различных типов ярких звезд выделя­ются довольно многочисленные звез­ды-цефеиды, яркость которых перио­дически изменяется. Причем период колебаний яркости прямо связан со средней яркостью звезды. Как любой источник света, видимая яркость звез­ды тем меньше, чем звезда дальше. За­висимость квадратичная, в 2 раза даль­ше — в 4 раза слабее свет. Таково фун­даментальное свойство геометрии на­шего мира (которую мы, со свойствен­ной нам самонадеянностью, считаем трехмерной). Измеряя период цефеи­ды, из квадратичной зависимости лег­ко получить расстояние. Цефеиды ста­ли для астрономов «стандартной све­чей». Однако за пределами Галактики цефеиды уже неудобны: их яркости не хватает, да и выделить их на сливаю­щемся фоне звезд не удается, а в чуть более далеких галактиках это вообще невозможно. Приходится исходить не из яркости цефеиды, а из средней яр­кости всей галактики, а они очень раз­личны. Если расстояние удается опре­делить с 20%-ной точностью, то это очень хорошо.

Сверхновые звезды как стандартная лампа

Проблема эта особенно обострилась, когда ученые задались очередным воп­росом: а сама Постоянная Хаббла, она вообще-то постоянна? Может быть, рост скорости очень удаленных объектов от­личается от линейной зависимости «скорость-расстояние» вблизи нас? Как это проверить? Впрочем, какое это имеет отношение к Теории относительности с ее ламбдачленом, с которого начина­лась статья? Как оказалось, самое не­посредственное. Но для проверки пона­добились новые, трудно доставшиеся экспериментальные факты. Получить их позволила современная наблюда­тельная техника наземных и косми­ческих обсерваторий. За последние де­сятилетия XX века в оснащении обсер­ваторий произошел грандиозный пере­лом: на смену старым инструментам пришли телескопы с многометровыми зеркалами , а старинные фотопластин­ки вытеснены новыми электронными приемниками изображений. Если луч­шие фотопластинки требовали не ме­нее 30-50 фотонов для получения од­ной точки на изображении, то ПЗС — приборы с зарядовой связью — отзы­ваются практически на каждый фо­тон. Но даже с такой чувствительнос­тью и на больших телескопах, в том числе космических, экспозиции рас­тягиваются на многие часы. С фото­пластинками наблюдения этих новых объектов исследований вообще невоз­можны.

Пора рассказать о самих объектах наблюдений. В галактиках иногда, крайне редко, происходят особые звездные катастрофы, которые назы­ваются вспышками сверхновых звезд. Название «сверхновая» неудач­ное, но отражает тот факт, что сверх­новые за всю историю человечества в нашей Галактике наблюдались всего несколько раз. Считается, что в сред­нем одна вспышка происходит раз в 100 лет. Из-за того, что мы находим­ся на периферии Галактики, наблю­дениям доступны не все вспышки сверхновых. При вспышке сверхно­вая звезда светит как целый милли­ард солнц одновременно. Куда там цефеидам. При такой яркости звезда несколько дней сияет как целая га­лактика, «сгорает» за месяц, но дает важные для науки результаты. Такая бешеная яркость позволяет обнару­жить их приборами на расстоянии в несколько миллиардов световых лет. Именно сверхновые были выбраны как новая стандартная космическая свеча для зондирования космоса. Из сравне­ния определений расстояний по яркос­ти (астрономы говорят «блеску») сверх­новой и — независимо — по красному смещению удалось проследить, нас­колько линейной оказалась зависи­мость «скорость-расстояние», то есть Постоянная Хаббла. Из различных ти­пов сверхновых был выбран класс 1а, как наиболее однородный по характе­ристикам яркости. Звезды, которые мо­гут стать сверхновыми класса 1а — это белые карлики с массой до 1,4 массы Солнца, отсветившие свое, сжавшиеся до размеров Земли, с огромной плотнос­тью, около 1 тонны в кубическом санти­метре. Несмотря на редкость явления, высокая чувствительность новых элек­тронных приемников позволила наблю­дать вспышки сверхновых звезд во мно­жестве других галактик. В галактике NGC 6946 за несколько десятков лет удалось зарегистрировать целых 7 сверхновых. В среднем, наблюдая 100 галактик, можно встретить одну вспыш­ку в год. Дальнейший прогресс приборов позволил увидеть в далеких галактиках одну вспышку в месяц, а затем и по одной в неделю. Обработка этих крайне трудных измерений снова, в который раз, показала, что Вселенная гораздо сложнее наших о ней представлений.

 

Появление Темных персонажей

Решающие наблюдения были начаты в 1997 г. двумя многочисленными группами исследователей под руко­водством А. Раиса, Б. Шмидта и С. Перлмуттера (США). Уже в 1998 г. были получены и опубликованы первые ре­зультаты. 20 июня 2003 г. вышел тема­тический номер научного журнала «Science» № 5627 с черной обложкой, на которой едва просматривается черная же надпись «the Dark Side» (Темная сторона). Такое кокетство для этого журнала совершенно необычно. Жур­нал привел 4 статьи ведущих исследо­вателей, которые сопоставили резуль­таты наблюдений далеких сверхновых, темной материи и реликтового излуче­ния (о них в следующем разделе). Пер­вые итоги оказались такими: Постоян­ная Хаббла составляет 72 ± 8 км/с на каждый миллион парсек. Возраст Все­ленной 13,6 ±1,5 миллиарда лет (еще более точное определение возраста Все­ленной было получено в эксперименте на спутнике WMAP — 13,7 ± 0,2 мил­лиарда лет). Вселенная на 72% состоит из «темной энергии» и на 24% из «тем­ной массы». Все эти понятия в послед­ние годы зрели главным образом в двух областях физики: в космологии и кван­товой механике, пытающейся объеди­ниться с теорией гравитации (она же Общая Теория Относительности).

Источник: AstroEra.NET

 

Комментировать