"Физика. Базовый уровень", Андрюшечкин С.М.
Вселенная — это пространство, материя и происходящие в них физические процессы. Современная космология описывает её развитие моделью Большого взрыва: Вселенная расширяется из горячего плотного состояния, а не разлетается из точки в пустоте. Красное смещение галактик и реликтовое излучение помогают проверить эту модель и восстановить основные этапы космической эволюции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вселенная — всё пространство, материя и физические процессы, рассматриваемые в космологии, науке о строении и развитии мира в целом. Это понятие нужно, чтобы отделять изучение Вселенной как единой системы от исследования отдельных звёзд и планет. Космологи описывают её свойства и изменения в масштабах, недоступных для лабораторного опыта.
Большой взрыв — модель, согласно которой Вселенная расширяется из раннего горячего и плотного состояния. Это не взрыв вещества в заранее существовавшем пространстве: меняются сами масштабы пространства, поэтому увеличиваются расстояния между далёкими галактиками. Модель позволяет связать наблюдаемое расширение с более плотным и горячим прошлым.
Красное смещение — увеличение длины волны света удалённой галактики по сравнению с длиной волны той же спектральной линии, измеренной в лаборатории. Индекс z обозначает относительное изменение: z = (λнабл − λлаб)/λлаб. По смещению спектральных линий можно судить об удалении галактик и исследовать расширение.
Реликтовое излучение — сохранившееся тепловое излучение ранней Вселенной, наблюдаемое сегодня практически со всех направлений. Оно появилось, когда излучение смогло отделиться от вещества и свободно распространяться. Его свойства позволяют изучать раннюю Вселенную, которую нельзя увидеть непосредственно в виде звёзд или галактик.
Свет галактик разлагают на спектр и сравнивают положение линий в нём с лабораторными значениями. У большинства далёких галактик линии сдвинуты к большим длинам волн, то есть к красному краю спектра. Если бы Вселенная в среднем не расширялась, такого согласованного сдвига не наблюдали бы; поэтому спектры стали одним из способов обнаружить космическое расширение.
Наблюдения показывают, что для далёких галактик скорость удаления растёт с расстоянием. Эту зависимость выражает закон Хаббла: v = H₀r, где v — скорость удаления, r — расстояние до галактики, а H₀ — постоянная Хаббла. Значение H₀ задаёт, насколько быстро растёт скорость удаления при увеличении расстояния на единицу; закон применяют к большим масштабам, а не к связанным системам вроде Солнечной системы.
Если сегодня расстояния между далёкими галактиками увеличиваются, то при движении времени назад они становятся меньше. Значит, вещество и излучение раньше были сосредоточены в меньшем объёме, а из-за сжатия плотность и температура были выше. Так из наблюдаемого расширения возникает модель горячей ранней Вселенной — модель Большого взрыва.
Вначале Вселенная была очень горячей и плотной: вещество существовало в виде частиц, а излучение постоянно взаимодействовало с ним. По мере расширения температура падала, и электроны смогли соединиться с ядрами, образовав атомы. Излучение перестало непрерывно рассеиваться на свободных заряженных частицах и стало распространяться свободно; сегодня мы наблюдаем его как реликтовое излучение. Позднее под действием гравитации в неоднородных областях вещества сформировались первые звёзды, а затем галактики.
Модель Большого взрыва подтверждают несколько независимых наблюдений: красное смещение галактик и их удаление, свойства реликтового излучения, а также наблюдаемое содержание лёгких химических элементов. Согласие разных данных особенно важно, потому что одну отдельную закономерность можно было бы объяснить иначе. При этом модель не даёт окончательного ответа о самых первых мгновениях и не определяет без дополнительных исследований дальнейшую судьбу Вселенной.
| Этап | Что происходило | Наблюдаемое свидетельство или след |
|---|---|---|
| Ранняя горячая плотная Вселенная | Вещество и излучение находились в очень горячем состоянии; Вселенная расширялась и остывала. | Расширение галактик и согласующиеся с моделью данные о составе вещества. |
| Образование атомов и отделение излучения от вещества | Электроны соединились с ядрами, образовались атомы; излучение стало распространяться свободно. | Реликтовое излучение — дошедший до нас след этой эпохи. |
| Возникновение первых звёзд и галактик | Гравитация собрала вещество в уплотнённых областях, где сформировались звёзды и галактики. | Наблюдения далёких галактик и звёзд показывают, что структуры существовали уже в прошлом. |
| Современная расширяющаяся Вселенная | Расстояния между далёкими галактиками продолжают увеличиваться. | Красные смещения спектров и зависимость скорости удаления от расстояния. |
Таблица помогает проследить последовательность: расширение и охлаждение создали условия для образования атомов, а затем звёзд и галактик. В третьем столбце указаны не сами этапы, а доступные наблюдению свидетельства и сохранившиеся следы прошлого.
В спектре галактики линия с лабораторной длиной волны 500 нм наблюдается при 510 нм. Найдём красное смещение, а затем оценим скорость удаления, используя приближение z ≈ v/c. Сравним изменение длины волны с исходной: важно делить именно на лабораторное значение. Приближение подходит для небольшого смещения.
Ответ: z = 0,02; скорость удаления составляет примерно 6000 км/с. Это оценка, поскольку формула z ≈ v/c является приближённой и предназначена для небольших скоростей по сравнению со скоростью света.
Галактика находится на расстоянии 100 Мпк; примем H₀ = 70 км/(с·Мпк). Нужно найти скорость её удаления по закону Хаббла. Единицы удобно не переводить заранее: Мпк в единицах постоянной сокращается с расстоянием в мегапарсеках. Поэтому результат сразу получится в километрах в секунду.
Ответ: скорость удаления галактики составляет около 7000 км/с. Это значение следует понимать как оценку в рамках закона Хаббла, который описывает крупномасштабное расширение Вселенной.
Оценим время 1/H₀ при H₀ = 70 км/(с·Мпк). Сначала нужно перевести мегапарсек в километры, чтобы получить обратную величину в секундах, а затем перевести секунды в годы. Такая оценка показывает характерный масштаб времени расширения, но сама по себе не учитывает, как скорость расширения менялась в прошлом.
Ответ: характерное время составляет примерно 14 млрд лет. Это не точный расчёт возраста: для него нужна космологическая модель, учитывающая изменение расширения и состав Вселенной.
Представлять Большой взрыв как разлёт вещества из одной точки в пустом пространстве — значит добавлять к модели неподтверждённое «внешнее» пространство и центр. Такое представление возникает из-за привычной аналогии с обычным взрывом. Проверьте себя: в модели расширяется само пространство, и единого центра расширения у Вселенной нет.
Считать, что красное смещение объясняется только движением галактики сквозь пространство, недостаточно для описания космологических расстояний. В повседневной жизни легче представить обычное движение, чем изменение масштаба пространства. Проверка: связывайте наблюдаемое смещение далёких галактик с расширением пространства, а не только с локальной скоростью.
Путать красное смещение с увеличением расстояния — значит смешивать разные величины. Смещение измеряют по спектру, расстояние определяют другими наблюдательными методами; закон Хаббла связывает расстояние со скоростью удаления. Проверьте себя: у z нет единиц длины, а расстояние, например, выражают в мегапарсеках.
Считать реликтовое излучение светом звёзд или непосредственным излучением самого Большого взрыва неверно: оно возникло позже, когда излучение отделилось от вещества. Ошибка появляется из-за слова «реликтовое», которое можно принять за название любого древнего света. Проверка: это тепловой след горячей ранней Вселенной, сейчас наблюдаемый во всех направлениях.
Для понимания красного смещения нужны знания о спектре и длине волны, а для его вычисления — умение находить относительное изменение величины. Закон Хаббла опирается на понятия скорости, расстояния и времени, перевод единиц и пропорциональные зависимости. Эти навыки пригодятся в задачах по механике и астрономии. Тема служит основой для дальнейшего изучения космологии, наблюдений Вселенной, её состава и возможного будущего.
Что именно расширяется при расширении Вселенной?
Расширяется само пространство: на больших космологических масштабах расстояния между удалёнными галактиками увеличиваются. Галактики не обязательно движутся сквозь пространство от единого центра, а единого центра расширения в модели нет.
Почему красное смещение галактик свидетельствует о расширении Вселенной?
В спектрах далёких галактик линии обычно сдвинуты к большим длинам волн — к красному краю спектра. Такой сдвиг означает, что свет растянулся по пути к нам; закономерная связь смещения с расстоянием указывает на расширение пространства.
Как закон Хаббла связывает расстояние до галактики и скорость её удаления?
Для достаточно удалённых галактик закон Хаббла записывают как v = H₀r, где v — скорость удаления, r — расстояние, а H₀ — постоянная Хаббла. При прочих равных чем дальше галактика, тем больше её скорость удаления.
Почему реликтовое излучение называют следом ранней Вселенной?
Это тепловое излучение, оставшееся от эпохи, когда Вселенная была горячей и плотной. После образования атомов излучение смогло свободно распространяться, а расширение пространства растянуло его волны; сегодня оно наблюдается почти со всех направлений.
Можно ли считать Большой взрыв взрывом в одной точке пространства?
Нет: такое представление ошибочно подразумевает готовое пустое пространство и вещество, разлетающееся от центра. Модель описывает расширение самого пространства из раннего горячего и плотного состояния.
§ 23. Происхождение и эволюция Вселенной
