Читайте также:
|
В 1948 году Георгий Гамов, который некогда был студентом Александра Фридмана, выдвинул идею Большого (Горячего) Взрыва.
Большой Взрыв или как называют его англичане «Big Bang» - это тот самый момент, с которого Вселенная начала расширятся. Напомним, что под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц (включая фотоны) занимают постоянно возрастающий объём. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом Плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время.
Существует предположение, что в глубокой древности плотность Вселенной была настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря, энергия всех фотонов (квантов излучения) содержащихся в 1см3 была больше суммы общей энергии элементарных частиц (свободных электронов, протонов, нейтронов), участвующих впоследствии в построении атома и, таким образом, в построении вещества, содержащихся в 1 см3.
Идея Горячего Взрыва и, таким образом, идея Горячей Вселенной предсказывала важный факт – существование в настоящее время электромагнитного реликтового излучения. Излучения, оставшегося от периода, близкого к эпохе Планка. Эпоха Планка - первые 10 в минус 43 степени секунды (10−43 секунды) существования Вселенной.
Излучения, высвободившегося в момент образования первых атомов (атомов водорода, дейтерия и гелия), сохранившегося, таким образом, с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняющее по настоящее время.
Почему мы здесь используем слово «высвободилось»? Что значит, излучение высвободилось? Чаще всего говорят, что до этого излучение было заперто в материи. Но это будет неправильно. Правильно говорить, что излучение было заперто в плазме. В том, что из себя, представляла тогда материя. Но что такое плазма?
Плазма – это не излучение и пока еще не вещество, однако уже содержит в себе элементарные частицы, часть из которых идет впоследствии на построение вещества, а часть образует излучение. Это то, что содержит в себе в свободном (незадействованном) виде свободные элементарные частицы. А именно: электроны, их античастицы - позитроны, протоны, нейтроны и фотоны. Часть из них: электроны, протоны и нейтроны идут впоследствии на построение атома и, таким образом, на построение вещества (а вещество, как мы знаем, состоит из атомов). А оставшиеся, незадействованные в построении вещества фотоны, образуют излучение. Так называемое реликтовое излучение.
После его открытия в 1965 году, это излучение получило название «космической фоновой радиации» или «космического фонового излучения», или «первого света». Или, как уже было указанно выше, «реликтового излучения». «Реликтового» в том самом смысле, что оно оставалось с тех самых ранних времен. С времен, близких к эпохи Планка (первые 10 в минус 43 степени секунды существования Вселенной, с самого начала Ее расширения). Латинское слово «relictum» – в переводе на русский означает «остаток».
Гамов даже предсказал температуру этого излучения и длину его волны. Температура этого излучения должно было составлять 5 градусов по шкале Кельвина и должно быть иметь длину волны в сантиметровом или миллиметровом диапазонах. То есть, в сверхвысокочастотном диапазоне волн.
В дальнейшем, по мере своего расширения Вселенная стала остывать. Что, таким образом, сопровождалось потерей энергии разбегающихся друг относительно друга частиц. Наконец наступает момент, когда частицы уже не обладают такой энергией, которая позволила бы им преодолевать силы взаимного притяжения, обусловленные электромагнитным взаимодействием и сильным взаимодействием, и они начинают слипаться.
Объединяясь, протоны и нейтроны образовали ядра тяжелого водорода-дейтерия (один протон и нейтрон) и гелия (два протона и два нейтрона). Оставшиеся, незадействованные протоны пошли на формирование ядер обычного водорода (один протон). По мере дальнейшего остывания и потери энергии, к образовавшимся ядрам присоединились электроны, и тогда образовались атомы.
Содержащиеся ранее в плазме вместе с фотонами, электроны, протоны и нейтроны пошли, таким образом, на построение атомов и, таким образом, на построении вещества, оставив в свободном, незадействованном виде фотоны.
Принято говорить, что на этом этапе – на этапе образования атомов – вещество отделилось от излучения. И, соответственно, излучение – от вещества. Что это значит?
Когда говорят, что излучение отделилось от вещества, это означает следующее. Оставшиеся свободными (незадействованными в построении вещества) фотоны отделились от электронов, протонов и нейтронов, поскольку те уже были задействованы в построение вещества (и, таким образом, уже не могли взаимодействовать с фотонами), и в свободном виде образовали излучение.
Реликтовое излучение – это и есть те фотоны, которые отделились от вещества (от протонов, нейтронов и электронов, уже задействованных к тому времени в построении вещества) и до сих пор достигают Землю через пространство продолжающей расширяться Вселенной.
Фотон (греческое слово «φωτός» в переводе на русский означает, «свет») — самая распространённая по численности частица во Вселенной. Элементарная частица, масса покоя которой равняется нулю, но которая способна существовать, только двигаясь со скоростью света.
Поэтому не существует системы отсчёта, относительно которой (или, другими словами, в которой) фотон покоится.
Как видно, такое определение уже содержит в себе изрядную долю противоречия. Фотон обладает нулевой массой, находясь в том состоянии, в котором он находиться не может.
Электрический заряд фотона также равен нулю.
Фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, фотон выступает частицей. С другой, демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях дифракции и интерференции.
Излучение, таким образом, можно представить, как и в форме потока элементарных (точечных) частиц, так и в форме распространяющейся электромагнитной волны.
В большинстве теорий, разработанных до 18 века, свет рассматривался как поток частиц. Одна из первых таких теорий была изложена в «Книге об оптике» Ибн ал-Хайсамом в 1021 году.
В ней учёный представлял световой луч в виде потока мельчайших частиц, которые «испытывают нехватку всех заметных качеств, кроме энергии». В те времена под «заметными качествами» полагали, прежде всего, размер и массу. Из этого следовало, что свет представляет собой поток частиц, испытывающих нехватку в размере и массе, кроме энергии. То есть, частиц, лишенных размера и массы, но обладающих энергией. Такое определение очень сильно напоминает сегодняшнее «корпускулярное» определение света, согласно которому свет представляет собою поток фотонов, - микроскопических частиц, лишенных массы и являющейся одновременно минимальной и неделимой порцией энергии. И это в 12 веке!
Термин «фотон» был введён химиком Гилбертом Льюисом в 1926 году. В настоящее время фотон рассматривается как квант электромагнитного излучения. Как неделимая и минимальная порция электромагнитного излучения (света). Подобно тому, как ранее атом считался минимальной и неделимой частицей (порцией) материи.
Итак, в соответствии с теорией Георгия Гамова, реликтовое излучение – это и есть те фотоны, которые отделились от вещества (от протонов, нейтронов и электронов, уже задействованных к тому времени в построении вещества) и до сих пор достигают Землю через пространство расширяющейся Вселенной.
В течение последующих двух десятилетий были сделаны наблюдения, которые подтвердили гипотезу Гамова.
В 1955 году аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов, проводя (в Пулковской обсерватории под руководством С. Э. Хайкин а и Н. Л. Кайдановского) исследования радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см, экспериментально обнаружил шумовое излучение.
Температура этого излучения составляла 4 ± 3 градусов по шкале Кельвина. Шмаонов отмечал постоянство интенсивности излучения, независимо от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в астрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента».
В 1965 году два американских физика Арно Пенциас и Роберт Вильсон, осуществлявших (в лаборатории фирмы «Белл» в штате Нью-Джерси) над разработку сверхчувствительного приемника сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения для связи с орбитальными искусственными спутниками - случайно обнаружили неизвестную форму излучения.
Они обратили внимание на то, что их приемник улавливает больше шума, чем следовало бы ожидать. Причем этот дополнительный (посторонний) шум идет ото всех направлений.
Сначала они подумали, что это происки красных. Потом очистили свою приемную антенну от птичьего помета, скопившегося внутри нее за несколько месяцев, но это не привело ни к какому результату.
Дополнительный шум оставался одинаковым. Независимо от того, в каком направлении они поворачивали антенну. Из этого они сделали заключение, что источник шума находится далеко за пределами атмосферы.
Шум оставался неизменным и днем и ночью на протяжении всего года, несмотря на вращение Земли вокруг ее оси и ее обращение вокруг Солнца. Из этого они сделали заключение, что данное излучение идет ото всех направлений. Иначе интенсивность сигнала менялась бы по мере вращения Земли и, таким образом, по мере вращения самой антенны, которая находилась на поверхности Земли и которая по мере своего вращения занимала самые различные направления. Из этого они сделали вывод, что этот вид излучения приходит к нам из-за «пределов» Солнечной системы и даже из-за «пределов» нашей Галактики.
Вследствие необыкновенной однородности этот вид излучения не был похож ни на какой-либо другой вид излучения во Вселенной. Являясь непосредственным следствием Большого (Горячего) Взрыва, «космического фоновая радиация» не локализовалась в каком-то определенном месте и не имела какого-либо определенного источника. Напротив, она была равномерно распределена повсюду. При этом температура излучения составляла 3 (2,725) градуса по шкале Кельвина. Георгий Гамов предсказал 5 градусов. А Шмаонов определил температуру этого излучения в 4 градуса. Небольшая разница, не правда ли?
Таким образом, совершенно случайно Арно Пензиас и Роберт Уилсон нашли поразительно точное подтверждение идей Александра Фридмана и его ученика Георгия Гамова. За это открытие Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике 1978 году.
Из этого из всего следовал еще один интереснейший вывод. Коль скоро «космического фоновая радиация», являясь следствием Большого взрыва, одинакова в разных направлениях - то и Вселенная должна быть также однородна во всех направлениях. Сейчас нам известно, что в каком бы направлении мы ни обратили свой взгляд, в одном кубическом метре космического пространства содержится около одного миллиарда фотонов реликтового излучения.
Дата добавления: 2015-09-10; просмотров: 32 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Сингулярная модель нестационарной Вселенной. Открытие красного смещения. | | | Темная материя и темная энергия. |