Общая астрономия. Метагалактика Часть 1


Карта сайта

            
Астрономия
древнейшая из наук
 Античная астрономия
 Хронология астрономии
 Современная астрономия
Основы астрономии
 Начала астрономии
 Время и небесная сфера
 Созвездия
 Движение небесных тел
 Астроприборы
 Астрофизика
 Обзоры астрооборудования
 Астрономические наблюдения

Общая астрономия
 Солнечная система
 Звезды
 Наша Галактика
 Внегалактическая астрономия
 Внеземные цивилизации
 Астрономы мира и знаменательные даты

Дополнительно
 Форумы Astrogalaxy.ru
 Астрономия для детей
 Планетарии России
 Это интересно
 Новости астрономии
 О проекте






Общая астрономия. Далекая Вселенная. Метагалактика, Часть 1

Часть 2

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.

Часть 2




Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Автор - И. Л. РОЗЕНТАЛЬ, доктор физико-математических наук 
В печатном виде впервые опубликовано в журнале Земля и Вселенная № 1
за 1989 год. В электронном виде в данной редакции публикуется 
впервые (на сайте Астрогалактика) с разрешения редакции журнала "Земля и Вселенная",
подготовка в эл. виде - Козловский А.
3. Публикация проекта 01.05.2008



Главная страница раздела

Copyright © 2004 - 2016, Проект 'Астрогалактика' • выпущен 12.07.2004