11. Электромагнитные волны. Использование электромагнитных волн различного диапазона в технических средствах связи, медицине, при изучении свойств вещества.

Таблица в тетради.

12. Концепция Большого взрыва. Возможные сценарии эволюции Вселенной.

Эволюция Вселенной. Большой взрыв.

Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около 15 миллиардов лет назад; с другой — весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием.

Концепция Большого взрыва появилась с открытием в 1920-е годы закона Хаббла. Этот закон описывает простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно «прокрутить пленку назад» и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными фактами.

Космический микроволновой фон

В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около –270°С (3 К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.

Простая аналогия поможет вам интерпретировать этот результат. Представьте, что вы сидите у камина и смотрите на угли. Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огнь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, вы почувствуете жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию, но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые им частоты и больше длина волн (см. Закон Стефана—Больцмана). По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.

Исторически это открытие и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной Вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.

Изобилие легких элементов

Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.

Однако это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд.

Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями. По моему мнению, это лучшее подтверждение гипотезы Большого взрыва.

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью.

Большо́й взрыв (от англ. Big Bang) — гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.

Современные представления теории Большого взрыва

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд [1] лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность), и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Ранняя Вселенная представляла собой однородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Критика теории Большого взрыва

Некоторые противники теории Большого взрыва считают, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует, и не имеет ни начала, ни конца во времени. Сторонники такой точки зрения отвергают расширение Вселенной, а красное смещение объясняют гипотезой о «старении» света. Однако, как выяснилось, эта гипотеза противоречит наблюдениям, например, наблюдаемой зависимости продолжительности вспышек сверхновых от расстояния до них.

Существует также точка зрения о том, что законы Большого Взрыва действуют лишь в наблюдаемой нами части Вселенной (Метагалактике).

Кроме того, ТБВ не дает удовлетворительного ответа на вопрос о причинах возникновения сингулярности, или материи/энергии для её возникновения, обычно просто постулируя её безначальность

Вселенная, звезды, планеты

Рассмотрение современных естественнонаучных концепций мы начнем с мегамира - той части окружающего мира, которую можно обнаружить, посмотрев ночью на небо. Что за светящиеся точки видны там на черном фоне (и почему, кстати, фон черный, а не голубой, как днем?)? Светящиеся точки на черном фоне - так называемые звезды - вот, собственно, все, что мы можем воспринять с помощью органов чувств. Где-то они распределены гуще, где-то реже. Большинство из них образуют устойчивые конфигурации - созвездия - час за часом двигающиеся по небу, некоторые - планеты - медленно, месяц за месяцем перемещаются относительно других. Можно ограничиться констатацией этого факта, можно путем продолжительных наблюдений попытаться найти закономерности видимых перемещений. Пожалуй, это все. Если не задавать вопросов, что это за объекты и почему они двигаются так, а не иначе.

Первые попытки объяснения ориентировались на волю сверхъестественных существ - богов, управляющих движением небесных тел. Впоследствии сопоставление геометрических и временных координат небесных тел с судьбами людей привело к возникновению астрологии. Ни то, ни другое не является предметом естественнонаучного познания, в первом случае по определению, во втором - поскольку не отвечает на вопросы, выделенные курсивом. К концу ХХ века сложились концепции, на основе которых мы не только сумели задать множество новых более конкретных вопросов и ответить на них, но и связать свои представления о мире небесных тел с природой явлений, наблюдаемых в лабораториях.

Наше уникальное дневное светило - Солнце - стало одной из звезд небосклона, его тепло и свет оказались той же природы, что и едва заметный свет звезд, а их источник - ядерные реакции - воспроизведен в земных условиях. Планеты, проявляя в своем движении законы механики, стали двигаться по орбитам вокруг центрального тела - Солнца - в соответствии с законом всемирного тяготения.

Одной из проблем, в связи с которыми все это долгое время не было понято, явились космические масштабы.

Объектами мегамира являются тела космического масштаба — кометы, метеориты, астероиды (малые планеты), планеты, планетные системы, Солнечная система, звезды (нейтронные, белые и желтые карлики, красные гиганты), звездные системы, черные дыры, квази­звезды (квазары), Галактика (Млечный Путь), Метагалактика, сис­темы галактик.

Огромные расстояния между космическими объектами вызыва­ют необходимость ввода новых величин для измерения расстояний.

4. Астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца: 1 а.е. = 1,5 • 10^й м = 1,5 • 10⁸ км.

5. Световой год — расстояние, которое проходит свет за один год: I световой год = 9,46 • 10¹⁵ м = 9,46 • 10¹² км.

6. Парсек — расстояние, которое в 3,26 раз больше светового года: 1 парсек = 3,1 • 10"' м = 3,1 • 10¹³ км.

Если представить себе Солнце в виде шара диаметром 7 см, то ближайшая к нему планета (Меркурий) будет находиться на расстоянии 2,8 м, наша Земля - в виде шарика диаметром 0,5 мм будет на расстоянии 7,6 м, а самая дальняя планета Плутон - в 300 м от Солнца. Самая же близкая из других звезд - Проксима Центавра - расположится в 2000 км, что соответствует расстоянию от С-Петербурга до Сухуми. Неудивительно, что одинаковая природа Солнца и других звезд долгое время не была осознана. Временные масштабы, характерные для Вселенной, тоже не отстали. Если начать отсчет времени с так называемого Большого Взрыва - гипотетической ситуации, когда все вещество Вселенной находилось в одной единственной бесконечно малой точке, а потом начало разлетаться - и сопоставить ему 0 ч. 0 мин. первого января, а всю последующую историю развития Вселенной до настоящего времени уложить в один год, то Солнце образовалось только 9 сентября, Земля 14 сентября, бактерии появились 9 октября, первые клетки с ядром 15 ноября, динозавры 24 декабря, а первые люди только в 22 ч. 30 мин. 31 декабря. А ведь человек существует уже несколько миллионов лет.

Как же можно было сделать подобные оценки? Астрономические наблюдения ведутся в трех диапазонах электромагнитных волн: радио, оптическом и рентгеновском с разных точек земной орбиты. Зная ее диаметр и измеряя углы, под которыми видны те или иные светила, можно найти расстояния до них. Анализируя спектры излучения звезд, можно установить их химический состав, а кроме того, обнаружить так называемое красное (т.е. в сторону более длинных волн) смещение этих спектров на шкале частот относительно их обычного расположения. Э.Хаббл предположил, что красное смещение связано с тем, что звезды удаляются от нас (эффект Допплера), при этом оказалось, что чем дальше расположено от нас то или иное скопление звезд (галактика), тем больше сдвиг, тем быстрее все они двигаются от нас. Такое разбегание галактик говорит о том, что раньше все они были рядом. Измерение скорости позволяет найти время, когда именно они были рядом, и, таким образом, сделать приведенные оценки.