Реферат: Расширяющаяся Вселенная и красное смещение

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 l

Н=1216 Ангстрем (1А=10-10 м) наблюдается на длине волны l=4864

А, то красное смещение этой галактики

. [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 l ® l¢длины волны

l излучающего источника:

,

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 (l > l¢),

а для приближающегося – в голубую (l < l¢). [9]

Давайте определим, например, расстояние до некоторой галактики, при

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=H

0r, 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

, 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 l (или частоты),

наблюдаемое при движении источника волн относительно их приемника. Характерен

для любых волн (свет, звук и т. д.). При приближении источника к приемнику l

уменьшается, а при удалении растет на величину l – lо=nlо

/с, где lо – длина волны источника, с – скорость распространения

волны, n – 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.

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]

испускания.

[2]

Мпк.

[3]

пк (СИ). 1 пк = 206 265 а. е. = 3,263 светового года = 3,086.1016 м.

[4] H » 50-100 км/(с·Мпк).

Страницы: 1, 2