Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

том, чтобы объяснить, из чего построен мир, что “скрепляет” его части и как

он действует. Если какая-либо часть мира – прошлое, настоящее или будущее –

не вписывается в эту программу, то именно у физика это скорее всего вызовет

тревогу.

Казалось необходимым предположить, что Вселенная первоначально

находилась в довольно необычном состоянии – в противном случае она не могла

бы прийти к тому состоянию, которое мы наблюдаем ныне. Таким образом, все

важные физические объекты, все вещество и энергию, а также их

крупномасштабную структуру приходилось рассматривать как данные богом; их

следовало вводить “самолично” как необъяснимые начальные условия. Благодаря

бурному прогрессу в понимании Вселенной, достигнутому в последние годы, все

эти особенности оказались естественными следствиями законов физики.

Начальные условия – в той мере, в какой это понятие имеет смысл с точки

зрения квантовых представлений, – не оказывают влияния на последующее

строение Вселенной. Таким образом. Вселенная – в большей мере продукт

закономерности, нежели случая.

Тот факт, что наблюдаемая ныне картина Вселенной ведет свое начало от

Большого взрыва – а именно это предначертано законами физики, – убедительно

свидетельствует о том, что и сами эти законы не случайны или бессистемны, а

содержат элемент целесообразности. Несмотря на снижение роли религии, люди

продолжают искать высший смысл за пределами бытия. Новая физика и новая

космология установили, что наша упорядоченная Вселенная – это нечто гораздо

большее, чем последствие гигантского катаклизма. Я убежден, что изучение

недавнего революционного переворота в физике и космологии станет источником

глубокого вдохновения в поисках смысла жизни.

Красное смещение

Космологическое красное смещение – это наблюдаемое смещение

спектральных линий[1] в сторону длинных волн от далекого космического

источника (например, галактики или квазара[2]) в расширяющейся Вселенной по

сравнению с длиной волны тех же линий, измеренной от неподвижного

источника. Оно выражается безразмерным отношением разницы принятой и

испущенной длины волны по отношению к испущенной длине волны. Например,

если линия ионизированного водорода Лайман-альфа с длиной волны (Н=1216

Ангстрем (1А=10-10 м) наблюдается на длине волны (=4864 А, то красное

смещение этой галактики [pic]. [8]

Красные смещения вызываются эффектом Допплера (рис. 6). Зная красное

смещение z, можно определить скорость удаления галактики v. Если скорость

галактики v невелика по сравнению со скоростью света c=300000 км/с, она

выражается по простой формуле v=c( z.

В наблюдаемых спектрах звезд и галактик хорошо различимы спектральные

линии поглощения известных элементов. Это позволяет довольно точно измерять

с помощью эффекта Доплера скорость v, с которой данный излучающий объект

удаляется (v > 0) или приближается (v < 0) по отношению к земному

наблюдателю. Такое движение приводит к смещению ( ( ((длины волны (

излучающего источника:

[pic],

где v – скорость удаления, c – скорость света (знаменатель – поправка в

релятивистской теории Эйнштейна, существенная только при v, близких к

скорости света c). Из этой формулы видно, что для удаляющегося от нас

объекта линии смещаются в красную сторону (( > ((), а для приближающегося –

в голубую (( < ((). [9]

Давайте определим, например, расстояние до некоторой галактики, при

радионаблюдениях которой было найдено, что длина волны нейтрального

водорода [pic] см наблюдается на [pic] см, т.е. ее красное смещение [pic].

Приняв значение постоянной Хаббла [pic]км/с/Мпк, из закона Хаббла находим

[pic]Мпк[3].

Мы можем разными способами оценить расстояния до звезд. Все эти методы

дают большую ошибку, но применив несколько методов вместе, мы, как

представляется, можем разумно оценить расстояние до многих звезд. Когда мы

наблюдаем эти звезды, мы видим, что их свет состоит из разных цветовых

компонентов, и эти компоненты, как мы могли бы предположить, появляются

вследствие нагревания различных видов атомов, из которых состоят звезды.

Есть одна проблема – эти характерные спектральные составляющие смещены к

красному. По красному смещению можно определить не только скорость удаления

далекой галактики от наблюдателя, но и расстояние r до нее,

воспользовавшись законом Хаббла: v=H0r, где H0 – постоянная Хаббла[4], v –

скорость космологического разбегания («разлета») скоплений галактик в

зависимости от расстояния r до них. [8]

Общепринятое объяснение этому состоит в том, что вселенная – само

пространство – на самом деле расширяется. Испускаемый звездами свет имеет

правильный спектр, но за годы, пока он шел к нам, пространство, по которому

он распространялся, расширилось, и свет (который находится в пространстве)

расширился вместе с ним, точно так же как линия, нарисованная на воздушном

шаре расширяется по мере его надувания. [5] Таким образом красное смещение

также является мерой времени, протекшего с момента начала расширения

Вселенной до момента испускания света в галактике. В рамках модели

однородной и изотропной Вселенной со средней плотностью, равной критической

плотности, это время выражается по формуле [pic], где H0 – постоянная

Хаббла, z – красное смещение. Так, по современным астрономическим данным,

самые первые галактики образовались в момент времени, соответствующий

красному смещению 5, то есть спустя примерно 1/15 часть современного

возраста Вселенной. Значит, свет от этих галактик шел до нас примерно 8.5-

14 миллиардов лет. [8]

Когда мы используем закон красного смещения Хаббла для того, чтобы

вычислять расстояния до отдаленных галактик, мы делаем так согласно

предположению, что первоначальный свет, приходя к нам за тысячи миллионов

лет, испускался, по существу, на тех же самых длинах волн, какие

наблюдаются в локальных современных эквивалентных звездных процессах.

Исходя из такого основополагающего предположения, мы можем выдвинуть

гипотезу о некотором механизме типа Эффекта Доплера (изменение длины волны

? (или частоты), наблюдаемое при движении источника волн относительно их

приемника. Характерен для любых волн (свет, звук и т. д.). При приближении

источника к приемнику ? уменьшается, а при удалении растет на величину ? –

?о=??о/с, где ?о – длина волны источника, с – скорость распространения

волны, ? – относительная скорость движения источника [7], рис. 6), чтобы

сдвинуть спектр света в область менее энергетических, но более длинных

волн, которые мы обнаруживаем. Кажущиеся размеры и выход мощности излучения

квазаров, как в настоящее время определено при использовании жизнеспособной

идеи красного смещения, кажется, готовы потрясти самые основы физики.

[pic]

Рисунок 6. Эффект Доплера: а – оба наблюдателя на тротуаре слышат звук

сирены стоящей на месте пожарной машины на одной и той же частоте; б –

наблюдатель, к которому приближается машина, слышит звук более высокой

частоты, а наблюдатель, от которого машина удаляется, слышит более низкий

звук.

Если галактики – конденсаты изначального космического «бульона», то их

материальные плотности должны увеличиваться со временем. В современной

физике выдвигается гипотеза о том, что унитарный электрический заряд

пропорционален локальной галактической материальной плотности

(концентрации). То есть, электрический заряд любого данного электрона или

протона связана с общим количеством других протонов, электронов, и т.д.,

которые находятся достаточно близко, чтобы влиять на это через прямые

электродинамические элементарные взаимодействия. Расстояние пяти световых

лет может быть достаточным для нашего оценочного предела для прямых

электродинамических влияний. Эта гипотеза выдвинута с использованием

теоремы угасания, где заряженные частицы, находящиеся в среде, абсорбируют

и заново излучают энергию электромагнитного поля, таким образом гася

первоначальную энергию. [6]

Предполагается, что если унитарный электрический заряд в пределах

галактик увеличивался в течение космологических веков, то сила

электрических взаимодействий между атомными ядрами и их электронами,

составляющими эти галактики, также увеличивалась. [5] Размеры атомов должны

уменьшаться, а энергии их электронов на орбитах должны увеличиваться как

побочный эффект основного галактического процесса конденсации.

Согласно этому подходу орбитальные электроны в атомах звездных

атмосфер ранней вселенной должны бы быть менее энергетические, чем те же

электроны современных атомов. Энергетические различия между их электронными

оболочками должны бы быть также меньшие по сравнению с современными. Таким

образом, фотоны, испускаемые звездами, составленными из менее

энергетических атомов, должны бы уносить меньшие количества энергии и будут

иметь более длинные волны, чем те, которые испускаются атомами в настоящее

время в расположении нашей галактики. [5]

Красные смещения, ассоциированные с все более и более удаляющимися

галактиками, не могут быть связаны с постоянно увеличивающейся скоростью

удаления, относительно нас, или с гравитационной потерей энергии или с

«утомлением света». [6] Свет, возможно, просто испускался в более длинных

волнах. Согласно этой точке зрения, красное смещение, вообще-то, все еще

может использоваться как косвенный способ измерения расстояний, но это

должно рассматриваться как эффект плотности (концентрации) галактического

материала. Чем краснее «смещенный» свет, тем моложе источник во время

излучения.

Но если мы жестко привязываем красные смещения к расстояниям, тогда

недавно сконденсированные космологические объекты могли, очевидно, быть

неправильно определены как являющиеся значительно более удаленными и, таким

образом, намного более энергетическими, чем они фактически есть. Квазары,

возможно, уже относятся к этой категории. [5]

Заключение

Огромное практическое значение науки в XX в. сделало ее той областью

знания, к которой массовое сознание испытывает глубокое уважение. Слово

науки весомо, и оттого рисуемая ею картина Вселенной часто принимается за

точную фотографию реальной действительности, как она есть на самом деле,

независимо от нас. Ведь наука и претендует на эту роль – бесстрастного и

точного зеркала, отражающего мир в строгих понятиях и стройных

математических вычислениях. Однако за привычным, коренящимся еще в эпохе

Просвещения доверием к выводам науки, часто забывается, что она –

развивающаяся и подвижная система знаний, что способы видения, присущие ей,

изменчивы. А это означает, что сегодняшняя картина Вселенной не равна

вчерашней. Повседневное сознание все еще живет научной картиной прошлых лет

и веков, а сама наука уже убежала далеко вперед и рисует порой вещи столь

парадоксальные, что сама ее объективность и беспристрастность начинает

казаться мифом...

Современная астрофизика вплотную подошла к изучению ряда природных

процессов, которые не имеют пока удовлетворительного объяснения в рамках

существующих знаний и понимание которых, по всей вероятности, потребует

выхода за границы фундаментальных общепринятых теорий. Речь идет, в

частности, о таких проблемах, как природа колоссальных космических энергий,

мощных физических процессов, протекающих в ядрах галактик и квазарах,

поведение материи в условиях сверхвысокой плотности, взаимосвязь процессов

микро- и мегамира, свойства вакуума и некоторые другие. Однако наука

безусловно успешно решит эти вопросы, открыв новые природные

закономерности, не имеющие ничего общего с потусторонними силами.

Из всего сказанного выше можно сделать следующие выводы: во-первых, в

связи с тем что науки о Вселенной в настоящее время переживают период

необычайно быстрого развития, принципиальные открытия в этой области,

требующие кардинального пересмотра привычных представлений, следуют одно за

другим. А поскольку религия всегда паразитировала на неполноте человеческих

знаний, на их относительном характере, то одна из важнейших задач научно-

атеистической пропаганды состоит в том, чтобы показывать науку не статично,

то есть не как простую сумму тех или иных положений, а в динамике, как

живой диалектический процесс познания мира, с присущей ему закономерной

сменой научных предположений, идей, гипотез, теорий. Только такой подход

дает правильное представление о материальном единстве мира и о возможностях

человеческого познания.

Во-вторых, науками о Вселенной выдвинут в последнее время ряд

фундаментальных положений, которые представляются внутренне

противоречивыми. Это дает теологам повод, с одной стороны, упрекать науку в

несоответствии ее положений реальной природе, а с другой – утверждать, что

противоречивость научной картины мира будто бы свидетельствует о

правомерности тех глубоких и неразрешимых внутренних противоречий, которыми

отличаются религиозные системы. Следовательно, в научно-атеистической

пропаганде необходимо подчеркивать, что внутренние противоречия в познании

мира – это не противоречия между научным положением и реальностью, а

отражение в научных знаниях противоречий, присущих самой природе.

В-третьих, для утверждения в сознании людей научно-материалистического

мировоззрения огромное значение имеет экспериментальное подтверждение и

практическое использование научных знаний. В наши дни намного короче стал

период, отделяющий момент совершения научного открытия от его практического

применения. Это относится, разумеется, и к открытиям в области астрофизики

и других наук о Вселенной. А использование научных знаний на практике –

один из наиболее весомых и действенных аргументов против религиозных

взглядов и представлений.

Примечательная черта стремительного прогресса исследований Вселенной в

условиях современной НТР – коренные изменения структуры научной

деятельности астрономов, включая революционные изменения средств и методов

изучения Вселенной, условий познания, что привело к лавине выдающихся

открытий, обнаружению ранее не известных типов космических объектов,

которые часто находятся в состояниях резкой нестационарности (эти состояния

характеризуются колоссальным энерговыделением), и в конечном счете к

существенной перестройке всей системы знания о Вселенной.

Современные исследования Вселенной все более отчетливо выступают как

“моделирование” схем будущей деятельности по практическому освоению

небесных тел, их включению в материально-производственную деятельность

общества.

Впечатляющий прогресс науки о Вселенной, начатый великой

коперниканской революцией, уже неоднократно приводил к весьма глубоким,

подчас радикальным изменениям в исследовательской деятельности астрономов

и, как следствие, в системе знания о структуре и эволюции космических

объектов. В наше время астрономия развивается особенно стремительными

темпами, нарастающими с каждым десятилетием. Поток выдающихся открытий и

достижений неудержимо наполняет ее новым содержанием. Есть все основания

считать, что в этой науке началась новая революция, которая по своим

масштабам и значению, быть может, не уступает великому коперниканскому

перевороту.

XX век стал веком коренной смены парадигм научного мышления и

радикального изменения, естественнонаучной картины мира.

Современная научная картина мира динамична, противоречива. В ней

больше вопросов, чем ответов. Она изумляет, пугает, ставит в тупик,

шокирует. Поискам познающего разума нет границ, и в новом веке, в новом

тысячелетии мы, возможно, будем потрясены новыми открытиями и новыми

идеями.

Список использованной литературы

1. Человек и мироздание: Взгляд науки и религии – М.: Сов.

Россия, 1986.

2. Беседы о Вселенной: Беседы о мире и человеке – М.: Политиздат,

1984.-111с..

3. Ресурс интернета, http://nrc.edu.ru

4. Девис П. Суперсила: Пер. с англ./Под ред. и с предисл. Е. М.

Лейкина. – М.: Мир, 1989. —272 с.

5. Картер A. Взаимная космология: Пер. с англ. Козлов С. –

http://progstone.nm.ru/, 1999

6. John G. Fox, Evidence Against Emission Theories, American Journal

of Physics, Vol. 33, №1, с.1–17, январь 1965.

7. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия // Электронное издание –

Кирилл и Мефодий, 2001

8. К.А.Постнов – ресурс интернета, http://www.nature.ru/db/

9. Васильев А. Н. Эволюция вселенной – С.-П.: Санкт-Петербургский

государственный университет, ресурс интернета, http://www.nature.ru/db/

10. Попов С., Бизяев Д. – М.: ГАИШ МГУ, ресурс интернета,

http://www.nature.ru/db/

-----------------------

[1] СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ, линии в спектрах электромагнитного излучения

атомов, молекул и др. квантовых систем. Излучение, соответствующее

данной спектральной линии, характеризуется определенной длиной волны

(и, следовательно, частоты). В соответствии с направлением перехода

различают спектральные линии поглощения и испускания.

[2] КВАЗАРЫ (англ. quasar, сокр. от quasistellar radiosource —

квазизвездный источник радиоизлучения), космические объекты

чрезвычайно малых угловых размеров, имеющие значительные красные

смещения линий в спектрах, что указывает на их большую удаленность от

Солнечной системы, достигающую нескольких тысяч Мпк.

[3] ПАРСЕК (сокращение от параллакс и секунда), единица длины, применяемая

в астрономии. Равна расстоянию, на котором параллакс составляет 1”;

обозначается пк (СИ). 1 пк = 206 265 а. е. = 3,263 светового года =

3,086.1016 м.

[4] H ( 50-100 км/(с·Мпк).

-----------------------

Рисунок 1. Радиоинтерферометр для астрономических наблюдений

Рисунок 2. Альберт Эйнштейн (1879-1955)

Рисунок 3. Эдвин Хаббл у телескопа

Рисунок 4. Одна из моделей расширения Вселенной. Галактики удаляются друг

от друга. Ни одна из галактик не может считаться центром Вселенной.

Рисунок 5. Сравнение Вселенной с пирогом. Поднимающееся тесто – это

пространство, а изюмины в нем – галактики, которые удаляются друг от друга

Страницы: 1, 2