![]() |
§ 6. Расширение Вселенной в прошлом; начало расширенияКак меняется расширение Вселенной с течением времени? Снова, как в § 2, выделим мысленно в однородном веществе Вселенной шар. Будем следить за изменением размеров этого шара, поверхность которого проходит через одни и те же галактики. Расширение управляется законом всемирного тяготения. Ускорение (отрицательное, т. е. замедление), которое испытывают галактики на поверхности шара, описывается формулой (6) ![]() Эта формула позволяет вычислить точную зависимость радиуса шара от времени. Мы здесь этого делать не будем, а проследим эту зависимость качественно. Во-первых, отметим следующую важную особенность ускорения, написанного выше. Выразим массу шара М через плотность вещества ρ и объем шара 4/3 πR3, и подставим в формулу для ускорения. В результате получим ![]() (10) Эта формула показывает, что ускорение а прямо пропорционально расстоянию. Итак, в настоящий момент времени и скорости удаления галактик и ускорение (замедление) пропорциональны расстоянию. Но если пропорциональна расстоянию и скорость и ее изменение, то, значит, в моменты времени, следующие за настоящим, также сохранится пропорциональность скорости расстоянию. То же относится и к предыдущим моментам времени. Таким образом, в модели Фридмана всегда скорости разбегания галактик пропорциональны расстоянию, только коэффициент пропорциональности меняется с течением времени. ![]() Рис. 7. Изменение с течением времени расстояния между галактиками. Разные кривые соответствуют разным галактикам: t0 - сегоднянший момент, О - начало расширения Расширение тормозится, и раньше этот коэффициент был больше. Можно построить график, изображающий как с течением времени менялся в прошлом радиус шара R. Подобным же образом меняется расстояние между любыми двумя далекими галактиками во Вселенной. Только в соответствии с тем, больше это расстояние сегодня, чем радиус шара R, или меньше, график должен быть подобным образом увеличен или уменьшен. Такие графики изображены на рис. 7. В прошлом радиус шара R (график для R показан сплошной линией) был меньше. Кривая изогнута в соответствии с тем, что расширение происходит с замеделением силами тяготения. Пунктирами на рис. 7 изображены графики для других галактик, расстояние до которых сегодня больше или меньше, чем радиус R сегодня. Они отличаются от первого графика только тем, что вертикальные расстояния умножены или разделены на одно и то же число. Самой важной особенностью графиков является то, что в некоторый момент времени в прошлом все расстояния обращались в нуль. Это был момент начала расширения Вселенной. Как давно это было? Как далеко точка О на рис. 7 отстоит от t0? Ответ зависит от скорости расширения сегодня (от постоянной Хаббла H), т. е. от наклона кривой на рис. 7 в сегодняшний момент, и от изогнутости кривой. ![]() Рис. 8. То же, что на рис. 7 при исчезающе малой плотности вещества во Вселенной. Для сравнения точками показана кривая, которая на рис. 7 изображена сплошной линией Последняя определяется ускорением тяготения, т. е. по формуле (10) определяется плотностью материи во Вселенной. Если бы тяготение не замедляло расширение (допустим, плотность вещества исчезающе мала и замедлением а можно пренебречь), то галактики разлетались бы по инерции с постоянной скоростью. Вместо искривленных линий на рис. 7 мы получаем картину прямых линий рис. 8. В этом случае время, протекшее с начала расширения, определяется только постоянной Хаббла и равно ![]() (11) Возможные неопределенности в значении Н составляют ![]() Это ведет к неопределенности времени t: ![]() (12) Из-за конечного значения плотности вещества во Вселенной имеются силы тяготения, тормозящие расширение и несколько уменьшающие t (см. точечную кривую на рис. 8). К сожалению, величина средней плотности материи во Вселенной определена не точно. Сравнительно легко учесть вещество, входящее в галактики. Массы галактик определяются по движению звезд и других светящихся объектов в них. Если известны скорости этих движений и размеры галактик, то масса вычисляется на основе ньютоновской механики и закона тяготения. Зная число галактик, находящихся в единице объема пространства, и их массы, можно вычислить среднюю плотность материи во Вселенной, входящей в галактики. Плотность этого вещества, усредненная по всему объему, составляет примерно ρ ≈ 3*1031г/см3. Но в пространстве между галактиками может быть вещество, которое очень трудно обнаружить, так как оно практически не излучает и не поглощает свет. Это может быть, например, ионизованный газ между галактиками, слабо светящиеся или потухшие звезды. Наконец, во Вселенной может быть много нейтрино - частиц, которые очень слабо взаимодействуют с другим веществом и поэтому их чрезвычайно трудно обнаружить. Возможно также наличие гравитационных волн, предсказанных теорией Эйнштейна. Есть между галактиками и другие виды материи.Учесть все подобные трудно наблюдаемые формы материи крайне сложно. Наиболее вероятные пределы, в которых заключено значение средней плотности всех видов материи, есть 5*10-29г/см3÷3*10-31г/см3. Мы остановимся на этих вопросах подробнее в § 9. При указанных значениях плотности ее тяготение очень мало влияет на оценку, приведенную выше. Таким образом, момент начала расширения Вселенной отстоит от настоящего момента примерно на 10÷20 миллиардов лет. Любопытно, что возраст Земли, определенный по радиоактивному распаду веществ, равен 5*109 лет. Используя возраст Земли, советские физики Я. Б. Зельдович и Я. А. Смородинский дали верхний возможный предел плотности для всех трудно наблюдаемых форм материи во Вселенной. Дело в том, что возраст Земли заведомо меньше времени, прошедшего от начала расширения Вселенной. А если так, то максимальная изогнутость кривой на рис. 8 может быть такой, что точка начала расширения как раз соответствует возрасту Земли. По изогнутости этой кривой определяется ускорение тяготения, а по нему из формулы (10) - максимально возможная плотность материи всегодняшней Вселенной. Этот максимум равен 2*10-28г/см3. Интересно сопоставить найденное нами время t, прошедшее с начала расширения, с возрастом других объектов во Вселенной. Например, возраст так называемых шаровых звездных скоплений в Галактике оценивается в 10÷14 миллиардов лет. Мы видим, что и возраст нашей планеты и, по-видимому, возраст скоплений звезд лишь немногим меньше величины t. Вернемся к закону расширения Вселенной. Итак, в прошлом, 10÷20 миллиардов лет назад, вблизи момента начала расширения плотность вещества во Вселенной была гораздо больше сегодняшней. Отдельные галактики, отдельные звезды и т. д. не могли существовать как изолированные тела. Вся материя находилась в состоянии непрерывно распределенного однородного вещества. Лишь позже, в ходе расширения, оно распалось на отдельные комки, что привело к образованию отдельных небесных тел. К этому вопросу мы еще вернемся в гл. 4. Сразу же возникает целый ряд других вопросов: насколько достоверен вывод о начале расширения, о состоянии огромной плотности всего вещества (как говорят, - о сингулярном состоянии), какие процессы протекали в этом сверхплотном веществе, что заставило вещество Вселенной расширяться, наконец, что было до начала расширения, до момента сингулярности??! Разумеется, все это чрезвычайно важно и интересно, и мы по мере изложения разберем эти проблемы. Но сначала поговорим о будущем расширяющейся Вселенной. Купить навес от надежной москве навесы-москва.рф. |
|
|
![]() |
|||