A táguló univerzumok tulajdonságai. Csillagászat

anyag Stephen Hawking és Leonard Mlodinow "A Brief History of Time" című könyvéből

Doppler hatás

Az 1920-as években, amikor a csillagászok elkezdték tanulmányozni a csillagok spektrumát más galaxisokban, valami nagyon érdekeset fedeztek fel: kiderült, hogy ugyanolyan jellegzetes hiányzó színmintákkal rendelkeznek, mint a saját galaxisunkban lévő csillagok, de mindegyik a vörös vég felé tolódott el. a spektrumból, és ugyanolyan arányban. A fizikusok a szín vagy a frekvencia eltolódását Doppler-effektusként ismerik.

Mindannyian ismerjük, hogy ez a jelenség hogyan hat a hangra. Hallgassa meg egy elhaladó autó hangját. Amikor közeledik, a motorja vagy a kürt hangja magasabbnak tűnik, és amikor az autó már elhaladt mellette, és elkezdett távolodni, a hang csökken. A felénk száz kilométeres sebességgel közlekedő rendőrautó a hangsebesség mintegy tizedét fejleszti. A sziréna hangja hullám, váltakozik a címerek és a vályúk. Emlékezzünk vissza, hogy a legközelebbi csúcsok (vagy mélyedések) közötti távolságot hullámhossznak nevezzük. Hogyan rövidebb hosszúságú hullámok, a nagyobb szám A rezgések minden másodpercben elérik a fülünket, és minél magasabb a hang hangszíne vagy frekvenciája.

A Doppler-effektust az a tény okozza, hogy egy közeledő autó kibocsát minden egymást követő gerincet hanghullám, egyre közelebb lesz hozzánk, és ennek következtében a gerincek közötti távolságok kisebbek lesznek, mintha az autó egy helyben állna. Ez azt jelenti, hogy a hozzánk érkező hullámhosszak rövidülnek, frekvenciájuk pedig magasabb. Ezzel szemben, ha az autó eltávolodik, az általunk felfogott hullámok hossza meghosszabbodik, frekvenciájuk pedig alacsonyabb lesz. És minél gyorsabban mozog az autó, annál erősebben jelenik meg a Doppler-effektus, amely lehetővé teszi a sebesség mérését.

Ahogy a hullámokat kibocsátó forrás a megfigyelő felé halad, a hullámhossz csökken. Ahogy a forrás távolodik, éppen ellenkezőleg, növekszik. Ezt Doppler-effektusnak nevezik.

A fény- és rádióhullámok hasonló módon viselkednek. A rendőrség a Doppler-effektus segítségével határozza meg az autók sebességét a róluk visszavert rádiójel hullámhosszának mérésével. A fény rezgések vagy hullámok, elektromágneses mező. Hullámhossz látható fény rendkívül kicsi - a méter negyven-nyolcvan milliomod része. Emberi szemérzékeli fényhullámok különböző hosszúságú mint a különböző színek, és legnagyobb hossza hullámai a spektrum vörös végéhez tartoznak, a legkisebbek pedig a kék végéhez tartoznak. Most képzeljünk el egy tőlünk állandó távolságra elhelyezkedő fényforrást, például egy csillagot, amely bizonyos hullámhosszúságú fényhullámokat bocsát ki. A rögzített hullámok hossza megegyezik a kibocsátott hullámokkal. De tegyük fel most, hogy a fényforrás elkezd távolodni tőlünk. A hanghoz hasonlóan ez a fény hullámhosszának növekedését okozza, ami azt jelenti, hogy a spektrum a vörös vége felé tolódik el.

Az Univerzum tágulása

Miután bebizonyította más galaxisok létezését, a következő években a Hubble azon dolgozott, hogy meghatározza a távolságukat, és megfigyelje spektrumukat. Akkoriban sokan azt feltételezték, hogy a galaxisok véletlenszerűen mozognak, és arra számítottak, hogy a kékeltolódású spektrumok száma körülbelül ugyanannyi lesz, mint a vöröseltolódott spektrumok száma. Ezért teljes meglepetés volt felfedezni, hogy a legtöbb galaxis spektruma vöröseltolódást mutat – szinte mindegyik csillagrendszerek távolodnak tőlünk! Még meglepőbb volt a Hubble által felfedezett és 1929-ben nyilvánosságra hozott tény: a galaxisok vöröseltolódása nem véletlenszerű, hanem egyenesen arányos a tőlünk való távolságukkal. Más szóval, minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál gyorsabban távolodik! Ebből az következett, hogy az Univerzum nem lehet statikus, változatlan méretű, ahogy korábban gondolták. A valóságban tágul: a galaxisok közötti távolság folyamatosan növekszik.

Az a felismerés, hogy az Univerzum tágul, valódi forradalmat idézett elő az elmében, amely a huszadik század egyik legnagyobb forradalma. Utólag visszagondolva meglepőnek tűnhet, hogy ez korábban senkinek sem jutott eszébe. Newtonnak és más nagy elméknek bizonyára rájöttek, hogy egy statikus univerzum instabil lenne. Még ha egy pillanatban mozdulatlan is lenne, a csillagok és galaxisok kölcsönös vonzása gyorsan összenyomódásához vezetne. Még ha az Univerzum viszonylag lassan is tágulna, a gravitáció végül véget vetne tágulásának, és összehúzódna. Ha azonban az Univerzum tágulási sebessége nagyobb egy bizonyosnál kritikus pont, a gravitáció soha nem fogja tudni megállítani, és az Univerzum örökké tovább fog tágulni.

Itt homályos a hasonlóság a Föld felszínéről felszálló rakétával. Viszonylag alacsony sebességnél a gravitáció végül megállítja a rakétát, és elkezd zuhanni a Föld felé. Másrészt, ha a rakéta sebessége nagyobb a kritikusnál (több mint 11,2 kilométer/másodperc), a gravitáció nem tudja megtartani, és örökre elhagyja a Földet.

1965-ben két amerikai fizikus, Arno Penzias és Robert Wilson, a New Jersey-i Bell Telephone Laboratories munkatársa egy nagyon érzékeny mikrohullámú vevőegység hibakeresését végezte. (A mikrohullámok körülbelül egy centiméter hullámhosszú sugárzás.) Penzias és Wilson aggódtak amiatt, hogy a vevő érzékeli magasabb szintű zaj a vártnál. Madárürüléket találtak az antennán, és megszüntették a hiba egyéb lehetséges okait, de hamarosan kimerítették az összes lehetséges zavaró forrást. A zaj abban különbözött, hogy egész évben éjjel-nappal rögzítették, függetlenül a Föld tengelye körüli forgásától és a Nap körüli forgásától. Mivel a Föld mozgása a vevőt az űr különböző szektoraiba irányította, Penzias és Wilson arra a következtetésre jutott, hogy a zaj túlról jön. naprendszerés még a Galaxison kívülről is. Úgy tűnt, a tér minden irányából egyformán érkezett. Ma már tudjuk, hogy függetlenül attól, hogy a vevő hova irányul, ez a zaj állandó marad, eltekintve az elhanyagolható eltérésektől. Így Penzias és Wilson véletlenül egy frappáns példába botlott, miszerint az Univerzum minden irányban ugyanaz.

Mi az eredete ennek a kozmikus háttérzajnak? Körülbelül ugyanabban az időben, amikor Penzias és Wilson a vevőben lévő rejtélyes zajt vizsgálták, két amerikai fizikus Princetoni Egyetem, Bob Dick és Jim Peebles is érdeklődni kezdett a mikrohullámú sütők iránt. Tanulmányozták George (George) Gamow feltevését korai szakaszaiban fejlődése során az Univerzum nagyon sűrű és fehéren forró volt. Dick és Peebles úgy gondolta, hogy ha ez igaz, akkor meg kell tudnunk figyelni a korai Univerzum ragyogását, mivel világunk nagyon távoli régióiból csak most érkezik meg hozzánk a fény. Az Univerzum tágulása miatt azonban ezt a fényt annyira a spektrum vörös végére kellene tolni, hogy látható sugárzásból mikrohullámú sugárzássá váljon. Dick és Peebles éppen ennek a sugárzásnak a felkutatására készültek, amikor Penzias és Wilson munkájukról hallva rájöttek, hogy már megtalálták. Ezért a leletért Penziast és Wilsont díjazták Nobel-díj(ami kissé igazságtalannak tűnik Dick és Peebles számára, nem beszélve Gamow-ról).

Első pillantásra az a tény, hogy az Univerzum minden irányban ugyanúgy néz ki, arra utal, hogy valami különleges helyet foglalunk el benne. Különösen úgy tűnhet, hogy mivel az összes galaxis távolodik tőlünk, ezért az Univerzum középpontjában kell lennünk. Ennek a jelenségnek azonban van egy másik magyarázata is: az Univerzum minden irányban ugyanúgy nézhet ki, ha bármely másik galaxisból nézzük.

Minden galaxis távolodik egymástól. Ez a felfújt léggömb felületén színes foltok terjedésére emlékeztet. A labda méretének növekedésével bármelyik két folt távolsága nő, de egyik folt sem tekinthető a tágulás középpontjának. Sőt, ha a léggömb sugara folyamatosan növekszik, akkor minél távolabb vannak egymástól a foltok a felületén, annál gyorsabban távolodnak el, ahogy tágulnak. Tegyük fel, hogy a léggömb sugara másodpercenként megduplázódik. Ekkor két, kezdetben egy centiméternyi távolságra elválasztott folt egy másodperc múlva már két centiméter távolságra lesz egymástól (ha a ballon felülete mentén mérjük), így relatív sebesség másodpercenként egy centiméter lesz. Másrészt egy pár tíz centiméterrel elválasztott folt egy másodperccel a tágulás megkezdése után húsz centiméterrel eltávolodik egymástól, így relatív sebességük tíz centiméter per másodperc lesz. Az a sebesség, amellyel bármely két galaxis távolodik egymástól, arányos a köztük lévő távolsággal. Így egy galaxis vöröseltolódásának egyenesen arányosnak kell lennie a tőlünk való távolságával – ez ugyanaz a függőség, amelyet Hubble később felfedezett. Alexander Friedman orosz fizikusnak és matematikusnak sikerült egy sikeres modellt javasolnia 1922-ben, és előre látta Hubble megfigyeléseinek eredményeit, mígnem 1935-ben egy hasonló modellt nem javasoltak amerikai fizikus Howard Robertson és Arthur Walker brit matematikus már a Hubble által felfedezett Univerzum tágulásának nyomdokaiba léptek.

Az Univerzum tágulása miatt a galaxisok távolodnak egymástól. Idővel a távoli csillagszigetek közötti távolság jobban növekszik, mint a közeli galaxisok között, ahogyan ez történik a felfújódó bolygó foltjaival is. hőlégballon. Ezért bármely galaxis megfigyelője számára az a sebesség, amellyel egy másik galaxis távolodik, annál nagyobbnak tűnik, minél távolabb helyezkedik el.

Az Univerzum három tágulásának típusa

A megoldások első osztálya (amelyet Friedman talált) feltételezi, hogy az univerzum tágulása elég lassú ahhoz, hogy a galaxisok közötti vonzás fokozatosan lelassul, és végül leállítja. Ezt követően a galaxisok közeledni kezdenek egymáshoz, és az Univerzum zsugorodni kezd. A megoldások második osztálya szerint az Univerzum olyan gyorsan tágul, hogy a gravitáció csak kis mértékben lassítja a galaxisok visszahúzódását, de soha nem tudja megállítani. Végül van egy harmadik megoldás is, amely szerint az Univerzum a megfelelő sebességgel tágul, hogy elkerülje az összeomlást. Idővel a galaxisok tágulási sebessége egyre kisebb lesz, de soha nem éri el a nullát.

Friedman első modelljének elképesztő tulajdonsága, hogy benne az Univerzum nem végtelen a térben, ugyanakkor a térben sehol sincsenek határok. A gravitáció olyan erős, hogy a tér összeomlik és bezárul önmagába. Ez bizonyos mértékig hasonlít a Föld felszínéhez, amely szintén véges, de nincs határa. Ha a Föld felszíne mentén haladsz egy bizonyos irányba, soha nem találkozol leküzdhetetlen gáttal vagy a világ végével, de a végén visszatérsz oda, ahonnan elindultál. Friedman első modelljében a tér pontosan ugyanúgy van elrendezve, de nem kettő, hanem három dimenzióban, mint a Föld felszínén. Jó az ötlet, hogy körbejárhatod az Univerzumot, és visszatérhetsz a kiindulási pontodhoz sci-fi, de nincs gyakorlati jelentősége, hiszen, mint bizonyítható, az Univerzum egy pontra zsugorodik, mielőtt az utazó visszatérne útja elejére. Az univerzum akkora, hogy mozogni kell gyorsabb a fénynél, hogy legyen ideje befejezni az utat ott, ahol elkezdte, és az ilyen sebességek tiltottak (a relativitáselmélet szerint). Friedman második modelljében a tér is ívelt, de másképp. És csak a harmadik modellben lapos az Univerzum nagy léptékű geometriája (bár a tér ívelt a hatalmas testek közelében).

Melyik Friedman-modell írja le az univerzumunkat? Megáll-e valaha az Univerzum tágulása, és felváltja a kompresszió, vagy az Univerzum örökre kitágul?

Kiderült, hogy a kérdés megválaszolása nehezebb, mint azt a tudósok kezdetben gondolták. Megoldása elsősorban két dologtól függ - az Univerzum jelenleg megfigyelt tágulási sebességétől és áramától közepes sűrűségű(az egységnyi tértérfogatra eső anyagmennyiség). Minél nagyobb az aktuális tágulási sebesség, annál nagyobb a gravitáció, és ezáltal az anyag sűrűsége is, amely a tágulás megállításához szükséges. Ha az átlagos sűrűség egy bizonyos felett van kritikus érték(a tágulási sebesség határozza meg), akkor gravitációs vonzás az anyag képes lesz megállítani az Univerzum tágulását és összehúzódást okozni. Az Univerzumnak ez a viselkedése megfelel Friedman első modelljének. Ha az átlagos sűrűség kisebb, mint a kritikus érték, akkor a gravitációs vonzás nem állítja meg a tágulást, és az Univerzum örökre kitágul - mint a második Friedmann-modellben. Végül, ha az Univerzum átlagos sűrűsége pontosan megegyezik a kritikus értékkel, akkor az Univerzum tágulása örökre lelassul, egyre közelebb kerül egy statikus állapothoz, de soha nem éri el. Ez a forgatókönyv Friedman harmadik modelljének felel meg.

Tehát melyik modell a helyes? Meg tudjuk határozni az Univerzum jelenlegi tágulási sebességét, ha a Doppler-effektus segítségével mérjük, hogy milyen sebességgel távolodnak el tőlünk más galaxisok. Ezt nagyon pontosan meg lehet tenni. A galaxisok távolságát azonban nem nagyon ismerjük, mert csak közvetetten tudjuk megmérni őket. Ezért csak azt tudjuk, hogy az Univerzum tágulási sebessége 5-10% milliárd évenként. Az Univerzum jelenlegi átlagos sűrűségére vonatkozó ismereteink még homályosabbak. Tehát, ha összeadjuk az összes tömegét látható csillagok a mi és más galaxisainkban ez a mennyiség a tágulási sebesség legalacsonyabb becslése mellett is kevesebb lesz, mint a százada annak, ami az Univerzum tágulásának megállításához szükséges.

De ez még nem minden. Galaxisunknak és más galaxisoknak nagy mennyiségben kell tartalmazniuk valamilyen " sötét anyag", amelyet nem tudunk közvetlenül megfigyelni, de létezéséről a galaxisok csillagainak pályájára gyakorolt ​​gravitációs hatása miatt ismerjük. Talán, legjobb bizonyíték A sötét anyag létezése a csillagok periférián keringő pályája spirálgalaxisok, hasonló Tejút. Ezek a csillagok túl gyorsan keringenek a galaxisaik körül ahhoz, hogy egyedül a galaxis látható csillagainak gravitációs ereje tartsa őket pályán. Ezenkívül a legtöbb galaxis halmazok része, és a galaxisok mozgására gyakorolt ​​hatásából hasonlóan következtethetünk a sötét anyag jelenlétére a galaxisok között ezekben a halmazokban. Valójában a sötét anyag mennyisége az Univerzumban jelentősen meghaladja a közönséges anyag mennyiségét. Ha az összes sötét anyagot beleszámítjuk, akkor a tágulás megállításához szükséges tömeg körülbelül tizedét kapjuk.

Nem zárhatjuk ki azonban más, általunk még nem ismert anyagformák létezését sem, amelyek szinte egyenletesen oszlanak el az Univerzumban, amelyek növelhetik annak átlagos sűrűségét. Például vannak olyan neutrínónak nevezett elemi részecskék, amelyek nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, és rendkívül nehezen észlelhetők.

Az elmúlt néhány évben különböző csoportok a kutatók a mikrohullámú háttér legkisebb hullámait tanulmányozták, amelyeket Penzias és Wilson fedezett fel. Ezeknek a hullámoknak a mérete az Univerzum nagyméretű szerkezetének mutatójaként szolgálhat. A karaktere azt látszik jelezni, hogy az Univerzum mégis lapos (mint Friedmann harmadik modelljében)! De mivel a közönséges és a sötét anyag teljes mennyisége nem elegendő ehhez, a fizikusok egy másik, még fel nem fedezett anyag - a sötét energia - létezését feltételezték.

És mintha tovább bonyolítanák a problémát, a legutóbbi megfigyelések ezt mutatták Az Univerzum tágulása nem lassul, hanem gyorsul. Ellentétben minden Friedman modellel! Ez nagyon furcsa, hiszen az anyag jelenléte a térben - nagy vagy alacsony sűrűségű - csak lassíthatja a tágulást. Hiszen a gravitáció mindig vonzó erőként hat. A felgyorsuló kozmológiai tágulás olyan, mint egy bomba, amely felrobbanása után energiát gyűjt, semmint eloszlat. Milyen erő felelős a tér gyorsuló tágulásáért? Erre a kérdésre senki nem tud megbízható választ adni. Einsteinnek azonban végül is igaza lehetett, amikor a kozmológiai állandót (és a hozzá tartozó antigravitációs hatást) bevezette egyenleteibe.

Az univerzum tágulását a tizenkilencedik vagy tizennyolcadik században bármikor, sőt a tizenhetedik század végén is meg lehetett volna jósolni. A statikus Univerzumba vetett hit azonban olyan erős volt, hogy a téveszme a huszadik század elejéig megőrizte hatalmát az elmék felett. Még Einstein is annyira magabiztos volt az Univerzum statikus természetében, hogy 1915-ben különleges módosítást hajtott végre az általános relativitáselméletben azzal, hogy az egyenletekhez mesterségesen hozzáadott egy speciális kifejezést, az úgynevezett kozmológiai állandót, amely biztosította az Univerzum statikus természetét.

A kozmológiai állandó egy bizonyos cselekvéseként nyilvánult meg új erő- „antigravitáció”, amelynek – más erőkkel ellentétben – nem volt konkrét forrása, hanem egyszerűen magában a téridő szövetében rejlő tulajdonság volt. Ennek az erőnek a hatására a téridő veleszületett tágulási hajlamot mutatott. A kozmológiai állandó értékének kiválasztásával Einstein változtathatja ennek a tendenciának az erősségét. Segítségével pontosan egyensúlyba tudta hozni az összes létező anyag kölcsönös vonzását, és ennek eredményeként egy statikus Univerzumot kapott.

Einstein később elutasította a kozmológiai állandó gondolatát, és elismerte, hogy ez a „legnagyobb hibája”. Amint azt hamarosan látni fogjuk, ma okunk van azt hinni, hogy Einsteinnek mégis igaza lehetett a kozmológiai állandó bevezetésében. De ami a legjobban elszomorította Einsteint, az az volt, hogy hagyta, hogy a helyhez kötött univerzumba vetett hite beárnyékolja azt a következtetést, hogy az univerzumnak ki kell tágulnia, amit saját elmélete jósolt meg. Úgy tűnik, csak egy ember látta az általános relativitáselméletnek ezt a következményét, és vette komolyan. Míg Einstein és más fizikusok azt keresték, hogyan lehet elkerülni az Univerzum nem statikus természetét, orosz fizikus Alexander Friedman matematikus pedig éppen ellenkezőleg, ragaszkodott ahhoz, hogy bővüljön.

Friedman két nagyon egyszerű feltevést fogalmazott meg az univerzummal kapcsolatban: hogy ugyanúgy néz ki, akármelyik irányból nézünk, és hogy ez a feltevés igaz, függetlenül attól, hogy az Univerzum honnan nézzük. E két elképzelés alapján és az általános relativitáselmélet egyenleteinek megoldásával bebizonyította, hogy az Univerzum nem lehet statikus. Így 1922-ben, néhány évvel Edwin Hubble felfedezése előtt, Friedman pontosan megjósolta az Univerzum tágulását!

Évszázadokkal ezelőtt keresztény templom eretneknek ismerné el, mivel az egyházi tanítás azt feltételezte, hogy különleges helyet foglalunk el a világegyetem közepén. De ma már csaknem az ellenkező okból, egyfajta szerénységből fogadjuk el Friedman feltételezését: nekünk teljesen elképesztőnek tűnne, ha az Univerzum minden irányban csak nekünk nézne egyforma, de az Univerzum többi megfigyelője számára nem!

Végre elkészült a "Táguló univerzumok tulajdonságai" című szakdolgozatom.

A Bevezetés első sorai: Nemrég jelent meg az az elképzelés, hogy az Univerzum tágul. Minden korábbi kozmológia lényegében stacionárius volt, még Einstein is, akinek a relativitáselmélete minden modern kutatás a kozmológiában természetesnek tartotta az Univerzum statikus modelljének javaslatát. Azonban az olyan statikus modellekkel, mint az Einstein-féle, amelyekről feltételezik, hogy léteznek végtelen idő, nagyon komoly nehézségek merülnek fel...

A mikrohullámú háttér azt jelezte, hogy az Univerzum a múltban forró, sűrű szakaszon ment keresztül. De nem bizonyította, hogy ez a szakasz az Univerzum kezdete. Elképzelhető, hogy az Univerzum korábban összehúzódási fázisban volt, majd nagy, de véges sűrűségnél visszapattanást tapasztalt, és a kompresszióból a tágulás felé mozdult el. Az, hogy ez a tény valóban megtörtént-e, pusztán alapvető kérdés, és pontosan ez kellett a dolgozatom elkészítéséhez.

A gravitáció összehúzza az anyagot, a forgás pedig széttépi. Tehát az első dolog, amit megkérdeztem, az volt: A forgás okozhatta az univerzum pattogását? George Ellis-szel együtt meg tudtam mutatni, hogy a válasz erre a kérdésre nemleges, ha az Univerzum térben homogén, vagyis ha a tér minden pontjában azonos. Két orosz tudós, Evgeny Lifshits és Isaac Khalatnikov azonban azt állította, hogy be tudták bizonyítani, hogy általános eset a pontos szimmetria nélküli tömörítés mindig visszapattanást eredményez a végső sűrűség elérésekor. Ez az eredmény nagyon kényelmes volt a marxista-leninista dialektikus materializmus számára, mivel lehetővé tette számunkra, hogy megkerüljük az Univerzum létrejöttének kellemetlen kérdését. Ezért dogmává vált a szovjet tudósok számára.

Lifshits és Khalatnikov képviselők voltak régi iskola az általános relativitáselméletben, vagyis hatalmas egyenletrendszereket írtak fel és próbáltak megoldásokat találni. De nem volt nyilvánvaló, hogy az általuk talált megoldások a legáltalánosabbak. – javasolta Roger Penrose új megközelítés, amely nem igényelte kifejezetten Einstein téregyenletek megoldását, csak néhány általános tulajdonsággal foglalkozott, például azzal, hogy az energia pozitív és a gravitáció vonzó. 1965 januárjában Penrose szemináriumot tartott erről a témáról a londoni King's College-ban. Nem vettem részt ezen a szemináriumon, de hallottam róla Brandon Cartertől, akivel Cambridge-ben, az új osztályon osztoztam irodán. alkalmazott matematikaÉs elméleti fizika az Ezüst utcában.

Először nem értettem, mi a lényeg. Penrose megmutatta, hogy ő csak annyit ér haldokló csillag Egy bizonyos sugárra zsugorodik, elkerülhetetlenül létrejön egy szingularitás - az a pont, ahol a tér és az idő véget ér. Természetesen azt hittem, hogy már tudtunk arról, hogy lehetetlen megakadályozni egy hatalmas tömeg összeomlását hideg csillag saját gravitációja alatt, amíg el nem éri a végtelen sűrűségű szingularitást. De a valóságban az egyenleteket csak az összeomlás esetére oldották meg tökéletesen gömb alakú csillagok, és igazi sztárok természetesen nem voltak éppen gömb alakúak. Ha Lifshitznek és Khalatnikovnak igaza van, a gömbszimmetriától való eltérések növekedni fognak a csillag összeomlásával, és a csillag különböző részei egymásnak hiányoznak, elkerülve ezzel a végtelen sűrűségű szingularitást. De Penrose megmutatta, hogy tévedtek: a gömbszimmetriától való kis eltérések nem akadályozzák meg a szingularitás kialakulását.

Rájöttem, hogy hasonló érvelés alkalmazható az Univerzum tágulására is. Ebben az esetben be tudtam bizonyítani, hogy voltak szingularitások, amelyekben a téridő keletkezett. Tehát Lifshits és Halatnyikov ismét tévedtek. Az általános relativitáselmélet azt jósolja, hogy az univerzumnak kell lennie egy kezdetnek, ami nem kerülte el az egyház figyelmét.

Mindkét eredeti szingularitási tétel – Penrose-é és az enyém – azt a feltevést követelte meg, hogy az univerzumnak van egy Cauchy-horizontja, vagyis egy olyan felület, amelyet az egyes részecskék pályája egyszer metszi, és csak egyszer, egyszer. Tehát kiderülhet, hogy az első szingularitási tételeink egyszerűen bebizonyították, hogy az univerzumnak nincs Cauchy-horizontja. Bár ez egy érdekes lehetőség, fontosságát tekintve nem volt összehasonlítható azzal, hogy az időnek lehet kezdete vagy vége. Ezért értetlenül álltam a szingularitási tételek olyan bizonyítása előtt, amelyek nem igényelnek feltételezéseket a Cauchy-horizontokkal kapcsolatban.

A következő öt évben Roger Penrose, Bob Geroch és én kidolgoztuk az általános relativitáselmélet oksági struktúrájának elméletét. Milyen csodálatos érzés volt, hogy egy egész kutatási terület áll a rendelkezésére! Mennyire különbözött a fizikától elemi részecskék, ahol az emberek szó szerint megküzdöttek egymással, hogy friss ötleteket szerezzenek! Ott a mai napig minden a régi.

Ennek egy részét beletettem egy esszébe, amely 1966-ban elnyerte az Adams-díjat Cambridge-ben. Ez képezte a könyv alapját" Nagy léptékű szerkezet Téridő", amelyet John Ellis-szel írtam, és Cambridge-ben adtam ki Egyetemi Kiadó 1973-ban. A könyv még mindig nyomtatott állapotban van, ahogy a valóságban is utolsó szó a téridő ok-okozati szerkezetének kérdésében, vagyis hogy a téridő mely pontjai befolyásolhatják más pontokon az eseményeket. Szeretném óva inteni a nagyközönséget attól, hogy megpróbálják hozzáférni ehhez a könyvhöz, mivel nagyon technikai jellegű, és abban az időben íródott, amikor megpróbáltam ugyanazt a szigort fenntartani, mint a tiszta matematikusok. Ma jobban aggódom, hogy igazam legyen, mint hogy igaz legyen. Bárhogy is legyen, szinte lehetetlen szigorúnak lenni kvantumfizika, mivel ez az egész terület nagyon ingatag matematikai talajon nyugszik.

7. Fekete lyukak

Egy bizonyos objektum ötlete, amelyet ma fekete lyukaknak nevezünk, több mint két évszázados múltra tekint vissza. 1783-ban John Michell cambridge-i oktató publikált a Philosophical Transactions of the Londonban. Királyi Társaság" cikk az általa "sötét csillagoknak" nevezett objektumokról. Megjegyezte, hogy egy kellően nagy tömegű és kompakt csillagnak olyan erős gravitációs mezője lehet, hogy csapdába ejti az általa kibocsátott fényt. A csillag felszínéről kibocsátott minden fény visszakerül gravitációs mező, anélkül, hogy jelentősen eltávolodna tőle.

Michell felvetette, hogy sok ilyen sztár lehet. Bár nem láthatók, mert a belőlük érkező fény nem ér el hozzánk, de érezzük gravitációs vonzásukat. Az ilyen objektumokat ma fekete lyukaknak nevezzük, mivel ez tükrözi a lényegüket - fekete üregeket a térben. Hasonló feltevést tett néhány évvel később Marquis de Laplace francia tudós, látszólag Michelltől függetlenül. Nagyon érdekes, hogy Laplace ezt a hipotézist csak „A világrendszer kifejtése” című könyvének első kiadásában foglalta magában, a következő kiadásokban már nem szerepel. Talán őrült ötletnek tartotta.

Michell és Laplace is úgy gondolta, hogy a fény olyan részecskékből áll, mint az ágyúgolyók, amelyeket a gravitáció lelassít, és visszaesik a csillagra. Ez nem volt összhangban az 1887-es Michelson–Morley kísérlet eredményeivel, amely azt mutatta, hogy a fény mindig azonos sebességgel halad. Nem volt kompatibilis elmélet a gravitáció fényre gyakorolt ​​hatására egészen 1915-ig, amikor Einstein megfogalmazta az általános relativitáselméletet. Ennek alapján Robert Oppenheimer és tanítványai, George Volkow és Hartland Snyder 1939-ben megmutatták, hogy egy csillag, amely kimerítette nukleáris üzemanyag, nem lesz képes ellenállni a gravitációnak, ha tömege meghalad egy bizonyos határt, amely nagyságrendileg összehasonlítható a Nap tömegével. Kiégett csillagok nagyobb tömeg magukba kell omlani, végtelen sűrűségű szingularitásokat tartalmazó fekete lyukakat képezve. Einstein soha nem fogadta el a fekete lyukakat vagy az anyag összenyomódásának lehetőségét végtelen sűrűség, bár ezt az elmélete megjósolta.

A háború kitörése elvonta Oppenheimer figyelmét, hogy dolgozzon atombomba. A háború után az atom- ill magfizika, és több mint húsz évig a gravitációs összeomlás és a fekete lyukak feledésbe merültek.

Érdeklődni gravitációs összeomlás Az 1960-as években újra felébredtek a kvazárok felfedezésével – nagyon távoli objektumok, amelyek rendkívül kompakt és erős optikai és rádióforrások. Az anyag beesése a fekete lyukba volt az egyetlen elfogadható mechanizmus, amely megmagyarázhatta az ilyen lyukak keletkezését nagy mennyiségben energiát a tér ilyen kis régiójában. Aztán ismét eszébe jutott Oppenheimer munkája, és a szakértők elkezdték tanulmányozni a fekete lyukak elméletét.

Pontosabban régen meghalt — még ifjúkorában, amikor egy gyógyíthatatlan genetikai betegség nyilvánult meg benne. Olyan testtel halt meg, amely szinte teljesen mozgásképtelen volt.
De ebben a testben élt egy agy. Egy zseni nagyszerű agya.
Ez az agy nem halhat meg. Csak más állapotba költözhetett.
Pontosan ez történt.

Egy mozdulatlanságba láncolt zseni életrajza

Stephen William Hawking ben született tudományos család 1942. január 8-án Oxfordban. Ott végezte el a helyi híres egyetemet, már tanulmányai alatt meglepve a tanárokat magas szellemi képességeivel.

Az univerzum vonzotta a maga titkaival és gyakran az emberi felfogáson túlmutató tulajdonságaival. Hawking elmélyült az elméletben, és 1966-ban védte meg első disszertációját „A táguló univerzumok tulajdonságai” témában. Sőt, ahogy ugratta magát, ezt meg tudta tenni anélkül, hogy bármit is kapott volna matematika oktatás kivéve az iskolát.

Ezt követően ő vezetett kutatómunka Cambridge-ben, különböző intézetekben és egyetemeken tanított — ugyanazokról a témákról, amelyek az univerzum természetével, gravitációjával, idővel kapcsolatosak. A fekete lyukak problémáján dolgozott, és gyümölcsöző kapcsolatokat ápolt ebben a témában a terület vezető oroszországi tudósaival.

Az elismerés a tudományban elért sikereinek és eredményeinek felelt meg. Szinte lehetetlen felsorolni az összes dísztárgyát. Ugyanakkor a tudós tevékenysége a háttérben zajlott súlyos betegség — amiotróf laterális szklerózis. A betegség gyógyíthatatlan, ami egyenesen a motoros neuronokat ellehetetleníti, ami izombénuláshoz vezet, egészen a légzőizmok elégtelenségéig.

Emlékezés Stephen Hawkingra, a neves fizikusra és a tudomány nagykövetére. Elméletei a lehetőségek univerzumát nyitották meg, a világ kutatnak. Repülj továbbra is Supermanként a mikrogravitációban, ahogy az űrhajósoknak mondtad @Space_Station 2014-ben pic.twitter.com/FeR4fd2zZ5,

Hawkingot 1963-ban diagnosztizálták ezzel a betegséggel, majd az orvosok legfeljebb két-három évet adtak neki élni. A betegség azonban atipikusan haladt előre, meglehetősen érezhető lelassulással, mintha valaki szándékosan őrizte volna meg a nagy agyat további eredmények és felfedezések számára. És nem törődött azzal, hogy Hawking ateistának tartja magát...
A végén kiderült, hogy egy gyógyíthatatlannal halálos betegség ez az ember nagyon irigylésre méltó 76 évet élt meg. A bénulás azonban továbbra is beállt, és Hawking tolószékbe zárva találta magát. Csak némi mobilitást tartott meg mutatóujj a jobb kezén, de később ő is visszautasította. Ennek eredményeként némi mobilitás megmaradt az arc arcizmojában. A mozgását észlelő érzékelőnek köszönhetően Hawking irányítani tudta a számítógépet, és segítségével kommunikálni tudott a külvilággal.

Figyelemre méltó, hogy a betegség ellenére Hawkingnak három gyermeke született (az utolsó — 1979-ben), ugyanakkor elvált feleségétől, és sikerült feleségül vennie egy ápolónőt, akitől azonban 11 év után el is vált. közös élet. Ez 2006-ban volt.

Még azt is tervezte, hogy az űrbe repül!

Stephen Hawking. Fotó: www.globallookpress.com

Hawking munkásságának tudományos jelentősége

Fő kutató Az L. D. Landauról elnevezett Elméleti Fizikai Intézet Alekszej Sztarobinszkij a Tsargraddal folytatott beszélgetésében kiemelkedő tudósnak nevezte Stephen Hawkingot, a klasszikus, ill. modern elméletek gravitáció és kozmológia. Egy szintre állítanám őt Alexander Friedmannel, az Univerzum Friedman-modelljének megalkotójával, amelyet most használunk” – jegyezte meg.

– Emiatt, bizonyos értelemben betegsége miatt nem vonták el a figyelmét azok, amik elvonják a figyelmünket, teljesen a tudományra koncentrált, amikor beszéltem vele – és 1973-ban találkoztunk –, a beszélgetések kizárólagosak voltak a tudományról élt – emlékszik vissza Starobinsky – abból indult ki, hogy a vallás és a tudomány különböző kérdéseket tesz fel: a vallás végül is a lélekre és a szellemre vonatkozó kérdésekkel foglalkozik. természettudományok- számít. Az anyag leírására racionálisan előadott érveket használunk. Ráadásul ez nem attól függ, hogy maga a tudós hisz-e vagy sem. És az életben Hawking példát adott nekünk arra, hogy az ember akarata sok mindent felülmúlhat. És ettől függetlenül testi betegség az ember sikereket érhet el, és hatalmas hatást gyakorolhat az emberekre azon a területen, amelyet maga választ."

Stephen Hawking a kvantumkozmológia egyik alapítója lett — közötti kapcsolatot vizsgáló tudomány kvantummechanikaés az univerzum kialakulása. Vagyis lényegében hasonlóságokat keres a végtelenül kicsiben és a végtelenül nagyban, és megpróbál végül eljutni egyetlen képlethez a világ számára. Nem tudni, hogy létezik-e, vagy egyáltalán létezhet-e, de a felé vezető úton Hawking, követői és tanítványai erőfeszítései révén sikerült elérni kiemelkedő felfedezések. Ez és a felismerés váratlan tulajdonságok fekete lyukak, általában mély behatolás a természetükbe és tulajdonságaikba, ez a kapcsolat kvantummechanika a gravitációval ez egy új kozmológia, ezek párhuzamos univerzumok...

Összesen, új kép műveiből nemcsak az univerzum, hanem az egész környező világ – elméletileg alátámasztva – keletkezett. És még ellenfelei munkáiból is, mert az ilyen vitákban és vitákban a kutatók új ismeretekre jutottak. És mi a különbség, hogy kinek volt igazabb és kinek — kevesebb?

Stephen Hawking. Fotó: www.globallookpress.com

Végül Stephen Hawkingnak megvolt az a ritka tehetsége, hogy bonyolult dolgokat egyszerűsítsen. Éppen ezért a legbonyolultabb kvantum- és univerzális kérdésekről szóló könyvei hatalmas olvasóközönségre találtak, és jobban eladták, mint más sci-fi vagy fantasy könyvek. Természetesen nem felelt meg a Harry Potterről szóló történeteknek, de az intellektusát tisztelő közönség számára nagyon népszerű író volt. És az egész világon.

Azonban miért volt az? És marad. A már mozdulatlan test távozott. Stephen Hawking világa pedig, amely ritka bátorsággal, akarattal és kitartással megnyílt előttük a tolószékből, örökre megmaradt.

A megfigyelési technológia fejlődésével lehetővé válik az egyre halványabb objektumok spektrumának vörös eltolódásának mérése. A Δƛ/ƛ>1 spektrum listája már kiterjedt, és a legnagyobb detektált spektrális vöröseltolódás Δƛ/ƛ=3,14-nek felel meg.

A υ / c = (((Δƛ / ƛ)+1)2-1)/(((Δƛ / ƛ)+1)2+1) képlet szerint ez 270 000 km/s-os eltávolítási sebességet jelent. Fogadjuk el a Hubble-állandó legvalószínűbb értékének, amely 65 km/s Mpc. Ekkor az objektum távolsága a υ=H*r képlet szerint 4200 megaparszek.

Egyre nyilvánvalóbbá válik, hogy a minden irányba távolodó galaxisok törvénye univerzális, univerzális törvény. Van egy tágulás, az egész Univerzum egészének tágulása.

A csillagászat azon ágát, amely az Univerzum egészének tulajdonságait vizsgálja, kozmológiának nevezik. Az Einstein által lefektetett elméleti alapok két fő megfigyelhető jelenségen alapulnak. Az első az, hogy a galaxisok és halmazaik viszonylag egyenletesen oszlanak el az égbolton, kivéve a galaxisunk fényelnyelő anyaga által okozott elkerülési zónát. A második fontos megfigyelt jelenség a galaxisok minden irányban távolodásának törvénye a távolságukkal arányos sebességgel. E megfigyelt jelenségek összehasonlítása arra a következtetésre jut, hogy a kezdeti robbanás eredményeként kialakult Univerzum egy homogén táguló golyóhoz hasonlít.

Mik ennek a táguló gömbnek a fejlődési törvényei, amelyben a galaxisok és halmazaik vonzzák egymást a törvény szerint? egyetemes gravitáció? Mit hoz a jövő az Univerzum számára? Határtalanul tágul, vagy az egyes részek kölcsönös gravitációja, lassítja és leállítja a tágulást, az Univerzum összehúzódását okozza?

A tágulási folyamat Einstein relativisztikus mechanikája szerint megy végbe, de a folyamat egyes aspektusai a newtoni mechanika általunk ismert fogalmaiban is érthetőek.

Attól, hogy a kölcsönös gravitáció egyes részek Az Univerzum tágulása lelassul, ebből következik, hogy a múltbeli tágulás gyorsabban ment végbe, ezért módosítani kell az Univerzum korának becslésén - csökkenteni kell. A korrekció nagysága az Univerzum anyagának átlagos sűrűségétől függ. Minél nagyobb az anyag sűrűsége, annál nagyobb a sebesség lassulása, és annál jelentősebbnek kell lennie a korrekciónak.

Ha egy adott tágulási sebesség mellett a golyóban lévő anyag sűrűsége elég nagy, akkor a gravitációs erők képesek lesznek megállítani a tágulást és kompresszióval helyettesíteni. Ha az anyag sűrűsége kicsi, és ezért a gravitációs erők gyengék, a tágulási folyamat soha nem áll le, az Univerzum végtelenül tágul, és a benne lévő anyag átlagos sűrűsége nullára hajlik.

Nyilvánvalóan van egy bizonyos kritikus értéke az anyag átlagos sűrűségének - ρ 0. Ha a H Hubble-állandó jelenlegi értékénél az Univerzumban az átlagos anyagsűrűség nagyobb, mint ρ 0, akkor a jövőben az Univerzum tágulása leáll, és kompresszió váltja fel. Ha a sűrűség egyenlő ρ 0 vagy kisebb, akkor az Univerzum tágulása a végtelenségig folytatódik.

Az ellenkező állítás is igaz. Ha az Univerzumban az anyag átlagos sűrűsége adott, akkor a H 0 Hubble-állandónak van egy bizonyos kritikus értéke. Ha a tényleges H kisebb, mint H o, akkor az Univerzum tágulását kompresszió váltja fel, de ha H ≥ H 0, akkor az Univerzum tágulása határtalan lesz.

Ezek az összefüggések jelentésükben közel állnak azokhoz az összefüggésekhez, amelyek a Föld átlagos sűrűségét és azt a kritikus (második kozmikus) sebességet kötik össze, amelyet a felszínén elhelyezkedő testnek meg kell adni, hogy az végtelenül eltávolodjon a Földtől anélkül, hogy visszaesne a felszínére. . Az egyetlen különbség az, hogy az Univerzum egészében, minden részében tágul, nem pedig az egyes elemeiben.

A relativisztikus relativitáselmélet törvényei szerint ugyanis a táguló Univerzum alá van vetve annak törvényeinek, a tágulási folyamatot a tér, az anyag és az idő fogalmai között a tudatunktól szokatlan kapcsolatok jellemzik. Ha az anyag átlagos sűrűsége nagyobb, mint ρ 0, és a tágulást összenyomással kell helyettesíteni, akkor az anyag gravitációja bezárja a teret. Az anyagot tartalmazó táguló térfogaton kívül nincs tér. Az ilyen univerzumot általában zártnak nevezik.

A zárt Univerzum tere korlátozott. De ugyanakkor az Univerzumnak nincs sem középpontja, sem határterületei;

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan lehetséges ez a háromdimenziós térrel, érdemes figyelembe venni annak kétdimenziós analógiáját - a gömb felületét. A gömb felülete rendelkezik korlátozott terület, minden pont egyenlő pozícióban van, nincs központi vagy határpont.

A ρ 0 kritikus értéknél nagyobb anyagsűrűségű Univerzumban működő geometria törvényei szintén szokatlanok elképzeléseink szerint. Eltérnek a bolygónk iskoláiban tanított euklideszi geometria törvényeitől. Ebben a Riemann-féle geometriában egy egyenesen kívüli ponton keresztül lehetetlen vele párhuzamos egyenest húzni. A háromszög szögeinek összege nem egyenlő két derékszöggel. Két egyenes közül a nagyobb, mint nagyobb terület háromszög. A kör kerülete a Riemann-féle geometriában nem a sugár első hatványával arányosan, hanem lassabban nő. És a kör területe nem a sugár négyzetével arányosan nő, hanem lassabban.

Hogy segítsünk tudatunknak abban, hogy valamilyen módon higgyen a beteljesülés lehetőségében háromdimenziós tér Az ilyen mintákra térjünk vissza egy kétdimenziós analógiára - a gömb felületére. A két pontot összekötő felület legrövidebb vonalát geodéziai vonalnak nevezzük. Egy gömbön a két pont közötti legrövidebb távolságot a nagykör ívének hossza határozza meg, vagyis az a kör, amelyet a gömbnek a középpontján átmenő síkkal metszve kapunk. Ezért a térben, a gömbön lévő egyenesek analógjai a nagykörök ívei. De minden egy adott ponton áthúzott nagykör egy másik rögzített nagykört metsz. Egy gömbháromszög, azaz egy három nagykörívből álló háromszög szögeinek összege valóban nagyobb, mint két derékszög. Minél nagyobb a háromszög felülete, annál nagyobb. És annak a gömbnek a kerülete, amelynek r sugara az ív hossza nagy kör, amely összeköti a kör középpontját a kör egy pontjával, kisebb, mint 2Πr. És a kör területe kisebb, mint Πr 2.

Csak abban az esetben, ha egy végtelenül kicsi gömbháromszöget veszünk figyelembe, a szögeinek összege két derékszöggel egyenlő, és egy gömbön csak egy végtelenül kicsi sugarú kör hossza 2Πr, a megfelelő kör felülete pedig egyenlő hogy r2.

A relativisztikus elméletnek megfelelően az ember az övében mindennapi életés még akkor is űrrepülések napjaink nem észlelnek eltéréseket az euklideszi geometria által feltételezett törvényektől, csak azért, mert a tér azon régiójának térfogata, amelyben működik, elhanyagolható az Univerzum egészének térfogatához képest.

Ha az univerzumban az átlagos anyagsűrűség pontosan megegyezik a ρ 0 kritikus értékkel, akkor ebben az esetben (amit természetesen rendkívül valószínűtlennek kell tekinteni) az euklideszi geometria törvényei a teljes háromdimenzióban érvényesek. az Univerzum tere. Az ilyen tér kétdimenziós analógiája a sík felülete.

Ha a harmadik lehetőség megvalósul a természetben, akkor az Univerzumban az anyag átlagos sűrűsége kisebb, mint a ρ 0 kritikus érték, akkor egy végtelenül táguló térben nyitott univerzum egy másik geometria törvényeinek kell működniük – Lobacsevszkij geometriájának. Egy ilyen térben egy vonalon kívül eső ponton keresztül végtelen számú, vele párhuzamos egyenest lehet húzni, a háromszög szögeinek összege kisebb, mint két egyenes, és a kör kerülete és területe kör nagyobb, mint 2Πr, illetve Πr 2.

Egy ilyen tér kétdimenziós analógiája lehet hiperbolikus paraboloid, nyereg alakú, melynek felületén a Lobacsevszkij-geometria tulajdonságainak megfelelő, geodéziai vonalak alapján megszerkesztett egyenesek, háromszögek és körök vannak. Ez a kétdimenziós analógia azonban nem teljesen felel meg a végtelenül táguló Univerzumnak, mivel a hiperbolikus paraboloidnak van középpontja, de a táguló univerzumnak nincs középpontja.

Érdekes megjegyezni, hogy amikor N. I. Lobachevsky és a német matematikus Riemann megalkotta nem euklideszi geometriájukat, sok kollégájuk úgy gondolta, hogy bár a kapott konstrukciók logikailag hibátlanok, nem találnak alkalmazást. Eltelt néhány évtized, és kiderült nagy világ, amelyben élünk, e két geometria egyikének törvényeinek engedelmeskedik. Csak azért, mert az emberi tevékenység még mindig nagyon korlátozott kis terület tér, mintázatainak eltérései az euklideszi geometriától elhanyagolhatóak és nem észlelhetők.

Milyen Univerzumban élünk? Nyitott vagy zárt?

A 65 km/s Mpc Hubble-állandó értékénél az Univerzum kritikus anyagsűrűsége ρ 0 = 8 10 -30 g/cm3. Következésképpen meg kell határozni, hogy a benne lévő anyag valós átlagos sűrűsége nagyobb vagy kisebb-e ennél az értéknél.

Az Univerzumban az anyag átlagos sűrűségének becslése az egyik legnehezebb probléma. Először is meg kell valahogy határozni a galaxisok tömegét, másodszor meg kell találni a galaxisok térfogategységenkénti átlagos számát, és végül meg kell próbálni figyelembe venni a diffúz intergalaktikus anyag teljes anyagsűrűségéhez való hozzájárulást, és talán szilárd testek, mint a bolygókés aszteroidák.

Egészen a közelmúltig az elkészíthető becslések 2 10 -31 és 5 10 -31 g/cm 3 közötti értékekhez vezettek, vagyis olyan sűrűségekhez, amelyek több mint tízszer kisebbek az anyag kritikus sűrűségénél. Ebből az következik, hogy az Univerzum végtelenül tágul és nyitott.
T.A. Agekyan „Csillagok, galaxisok, metagalaxisok” 1981. Harmadik kiadás, átdolgozva és bővítve

Meghívjuk Önt, hogy beszélje meg ezt a kiadványt a mi oldalunkon.

Sokan közülünk nem veszik észre, hogy az univerzum sorsát törvények szabályozzák Általános elmélet relativitáselmélet, és azzal kezdődött ősrobbanás 13,8 milliárd évvel ezelőtt, születésétől fogva előre meghatározott volt. A kezdeti feltételek versenyfutás az eredeti tágulás, amely az anyagot és az energiát kifelé dobja, és a gravitáció között, amely mindent összevon, lelassítva a tágulást, és ha lehetséges, összeomlással összehúzza az Univerzumot. Ha tudjuk, hogyan tágul az Univerzum, és hogyan tágult a múltban, kiszámolhatjuk, miből áll, és mi lesz a sorsa – de csak akkor, ha pontosan fel tudjuk mérni a múltat.

Ezen a héten kaptam hatalmas mennyiség kérdések a hírekről, miszerint az univerzum a vártnál gyorsabban tágul. A probléma a következő: ha az univerzum sorsa függ a jelenlegi és a múltbeli tágulás ütemétől, és rosszul mértük, akkor az univerzumra vonatkozó következtetéseink is tévesek lehetnek? Nem lehet benne sötét energia? Lehetséges, hogy az Univerzum egyáltalán nem gyorsul el tőlünk? Lelassulhat a bővülés üteme, és a jövőben nagy válságba fordulhat? Ahhoz, hogy megválaszolja ezeket a kérdéseket, meg kell fordulnia tudományos alapon mi történik.

Az Univerzum tágulásának mérésének legegyszerűbb módja az általunk jól ismert objektumok megfigyelése. Ezek egyedi csillagok, forgó galaxisok, szupernóvák stb. Meg tudjuk mérni látszólagos fényességüket és vöröseltolódásukat. Ha ismerjük egy objektum tényleges fényerejét - jól tanulmányozott objektumok esetében pedig igen - és megmérjük a látszólagos fényerejét, akkor kiszámolhatjuk, hogy milyen messze van, éppúgy, mint egy 60 wattos lámpa távolságát méréssel. látszólagos fényereje. A csillagászok az ilyen tárgyakat „standard gyertyáknak” nevezik, mivel az ötlet jóval az izzók előtt született. Ahogy az Univerzum tágul, a vöröseltolódás és a távolság mérése lehetővé teszi számunkra, hogy megfigyeljük, hogyan tágul ma a tér. Egyre nagyobb távolságokon dolgozva pedig megfigyelhetjük, hogyan változott az idő múlásával a tágulás üteme.

A koncepció sokak számára működik különböző tárgyakat: változó cefeida csillagok, fluktuációk a spirálgalaxisok felszínén, fejlődő vörös óriások, forgó spirálgalaxisok és Ia típusú szupernóvák - ez utóbbi található a legtöbben nagy távolságok. E módszerek kombinációját használták a 90-es és 2000-es években az Univerzum Hubble-tágulási sebességének hihetetlen pontosságának meghatározására: 72 ± 7 km/s/Mpc. Ez áttörést jelentett a korábbi becslésekhez képest, amelyek 50 és 100 között mozogtak. Űrtávcső Hubble, aki ezeket a méréseket végezte, és a Hubble-állandó mérésének szándéka miatt kapta ezt a nevet!

De azóta tovább finomítottuk a méréseket és csökkentettük a hibákat, ami ehhez vezetett új probléma: különböző méretek adnak különböző méretű tágulási sebesség.

Az univerzum tágulási történetének mérésének egyik módja az, hogy megnézzük kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, az Ősrobbanás maradék izzása. Ingadozásai és néhány általános tulajdonságok lehetővé teszi a tágulás mértékének kiszámítását. A Planck műhold 67 ± 2 km/s/Mpc értéket ad nekünk, ami egybeesik a korábbi mérésekkel, növelve a pontosságot. A Sloan Digital Sky Survey és mások által mért legnagyobb léptékű galaxishalmazokból (barion akusztikus rezgések) 68 ± 1 km/s/Mpc értéket kapunk. És ez a két mérés olyan értékeket ad, amelyek megfelelnek az előző méréseknek és egymásnak is. De ha megnézzük a kefeidák és szupernóvák adatait, amikor ugyanabban a galaxisban a kefeidákat és szupernóva típus Ia, ugyanazt a pontos értéket kapjuk, ami azonban nem esik egybe a többivel: 73 ± 2 km/s/Mpc.

Innen jön minden felhajtás. Néhányan elkezdtek egzotikumot kínálni alternatív elméletek, mint például a fejlődő sötét energia, mások pedig már megkérdőjelezik a kozmológia alapjait. De nagyon is lehetséges, sőt valószínű, hogy a probléma egyáltalán nem létezik. Ezek a hibák nem tartalmazzák a mérési folyamatban rejlő szisztematikus hibákat vagy bizonytalanságokat. A cefeidáktól és szupernóváktól származó adatok lehetővé teszik, hogy rekonstruáljuk a kozmikus távolságokból álló létrát, amelyben a táguló Univerzum minden egyes lépcsőfoka egy közelebbi előzőre épül. Ha korán hibázik:

A közeli kefeidák parallaxisának mérése során,
ezeknek a tárgyaknak a szabványosságában,
a lépések bármelyikének fényessége és távolsága tekintetében,
a standard gyertyák várható valódi fényerejében,
az észlelt jelenségek környezetére vonatkozóan,

Ezután ez a hiba átterjed az összes további konstrukcióra. A távolságlétra kis bizonytalansága ellenére meg kell jegyezni, hogy négy független módszer létezik a Hubble-állandó kalibrálására, és ezek mindegyike eltérő jelentése, 71,82-ről 75,91-re, és mindegyik hibája megközelítőleg egyenlő 3-mal.

Remélhetőleg a tervezett parallaxis mérések javítani fogják ezeket a bizonytalanságokat, és segítenek megérteni az ezeken a különbségeken áthaladó szisztematikus hibákat. Nagyon érdekes találgatni szokatlan témákról, de a legvalószínűbb, hogy a bizonytalanság új jelei a Hubble-állandóban azt a lehetőséget jelzik, hogy jobban megértsük azokat az asztrofizikai jelenségeket, amelyek ezeket az értékeket adják, és ennek eredményeként talán konvergálnak is. egyetlen jelentése tágulási sebesség, minden technikánál azonos. Akár 73-ra változik az érték, akár 70 körül marad, akár 67-re ugrik, az eredmény néhány százalékkal módosítja a paramétereinket, de a következtetéseinket nem. Talán az Univerzum nem 13,8 milliárd éves, hanem 13,5 milliárd éves; talán 65%, nem 70%, sötét energia; talán 40 milliárd év múlva megtörténhet a nagy szakadás. De az Univerzum alapképe változatlan marad. A kulcs, mint mindig, az, hogy felfedezzük a jelenségek alapjait, és megtanuljuk, mit tanít nekünk az Univerzum.