Vos prieš šimtą metų mokslininkai atrado, kad mūsų Visatos dydis sparčiai didėja.
1870 m. Anglų matematikas Williamas Cliffordas sugalvojo labai giliai, kad erdvė gali būti išlenkta, o ne ta pati skirtinguose taškuose ir kad jos kreivumas bėgant laikui gali kisti. Jis netgi pripažino, kad tokie pokyčiai yra kažkaip susiję su materijos judėjimu. Abi šios idėjos po daugelio metų sudarė bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindą. Pats Cliffordas to negyveno - jis mirė nuo tuberkuliozės būdamas 34 metų, likus 11 dienų iki Alberto Einšteino gimimo.
Raudonas poslinkis
Pirmąją informaciją apie Visatos išsiplėtimą pateikė astrospektrografija. 1886 m. Anglų astronomas Williamas Hugginsas pastebėjo, kad žvaigždžių šviesos bangos ilgiai yra šiek tiek pasislinkę, palyginti su tų pačių elementų antžeminiais spektrais. Remiantis Doplerio efekto optinės versijos formule, kurią 1848 m. Išvedė prancūzų fizikas Armandas Fizeau, galima apskaičiuoti žvaigždės radialinio greičio dydį. Tokie stebėjimai leidžia stebėti kosminio objekto judėjimą.
Prieš šimtą metų Visatos samprata buvo paremta Niutono mechanika ir Euklido geometrija. Net keli mokslininkai, pavyzdžiui, Lobačevskis ir Gausas, kurie pripažino (tik kaip hipotezę!) Fizinę neeuklidinės geometrijos tikrovę, kosmosą laikė amžina ir nekintančia. Dėl visatos išsiplėtimo sunku spręsti apie atstumą iki tolimų galaktikų. Šviesa, pasiekusi 13 milijardų metų vėliau iš galaktikos A1689-zD1, nutolusi nuo mūsų 3,35 milijardo šviesmečių (A), „raudonuoja“ir silpnėja, kai praeina besiplečiančią erdvę, o pati galaktika atsitraukia (B). Joje bus pateikta informacija apie atstumą raudonu poslinkiu (13 milijardų šviesmečių), kampiniu dydžiu (3,5 milijardo šviesmečių), intensyvumu (263 milijardai šviesmečių), o tikrasis atstumas yra 30 milijardų šviesmečių. metų.
Praėjus ketvirčiui amžiaus, šia galimybe vėl pasinaudojo Vesta Slipher, observatorija Flagstaffe, Arizonoje, kuris nuo 1912 m. 24 colių teleskopu su geru spektrografu tyrinėjo spiralinių ūkų spektrus. Norint gauti aukštos kokybės vaizdą, ta pati fotografinė plokštė buvo eksponuojama keletą naktų, todėl projektas judėjo lėtai. Nuo 1913 m. Rugsėjo iki gruodžio Slipher tyrinėjo Andromedos ūką ir, naudodamas Doplerio-Fizeau formulę, padarė išvadą, kad jis kiekvieną sekundę priartėja prie Žemės 300 km.
Reklaminis vaizdo įrašas:
1917 m. Jis paskelbė duomenis apie 25 ūkų radialinius greičius, kurie parodė didelę asimetriją jų kryptimis. Tik keturi ūkai priartėjo prie Saulės, likę pabėgo (o kai kurie labai greitai).
Slipher nesiekė šlovės ir neviešino savo rezultatų. Todėl astronominiuose sluoksniuose jie tapo žinomi tik tada, kai į juos atkreipė dėmesį garsus britų astrofizikas Arthuras Eddingtonas.
1924 m. Jis išleido reliatyvumo teorijos monografiją, į kurią buvo įtrauktas Slipher surasto 41 ūko sąrašas. Ten buvo tie patys keturi mėlynai pasislinkę ūkai, o likusios 37 spektro linijos buvo raudonai pasislinkusios. Jų radialinis greitis svyravo nuo 150 iki 1800 km / s ir vidutiniškai 25 kartus viršijo tuo metu žinomų Paukščių Tako žvaigždžių greitį. Tai leido manyti, kad ūkai dalyvauja kituose judėjimuose, išskyrus „klasikinius“šviestuvus.
Kosminės salos
1920-ųjų pradžioje dauguma astronomų manė, kad spiraliniai ūkai yra Paukščių Tako periferijoje, o už jo nėra nieko, išskyrus tuščią tamsią erdvę. Tiesa, net XVIII amžiuje kai kurie mokslininkai matė milžiniškas žvaigždžių sankaupas ūkuose (Immanuelis Kantas juos pavadino salų visatomis). Tačiau ši hipotezė nebuvo populiari, nes nebuvo įmanoma patikimai nustatyti atstumų iki ūkų.
Šią problemą išsprendė Edwinas Hubble'as, dirbęs prie 100 colių atšvaito teleskopo Mount Wilson observatorijoje Kalifornijoje. 1923–1924 m. Jis atrado, kad Andromedos ūkas susideda iš daugybės šviečiančių objektų, tarp kurių yra kintančių Cefeidų šeimos žvaigždžių. Tada jau buvo žinoma, kad jų tariamo ryškumo kitimo laikotarpis yra susijęs su absoliučiu ryškumu, todėl cefeidai yra tinkami kosminiams atstumams kalibruoti. Su jų pagalba Hablas įvertino atstumą iki Andromedos 285 000 parsekų (pagal šiuolaikinius duomenis tai yra 800 000 parsekų). Tada buvo manoma, kad Paukščių Tako skersmuo yra maždaug 100 000 parsekų (iš tikrųjų jis yra tris kartus mažesnis). Iš to išplaukė, kad Andromeda ir Paukščių kelias turi būti laikomi nepriklausomomis žvaigždžių grupėmis. Hablas netrukus nustatė dar dvi nepriklausomas galaktikas,kuri galutinai patvirtino „salų visatų“hipotezę.
Teisybės dėlei reikia pažymėti, kad dvejus metus prieš Hablą atstumą iki Andromedos apskaičiavo estų astronomas Ernstas Opikas, kurio rezultatas - 450 000 parsekų - buvo artimesnis teisingam. Tačiau jis panaudojo keletą teorinių svarstymų, kurie nebuvo tokie įtikinami, kaip tiesioginiai Hablo pastebėjimai.
Iki 1926 m. Hablas atliko statistinę keturių šimtų „ekstragalaktinių ūkų“stebėjimų analizę (šį terminą jis vartojo ilgą laiką, vengdamas jų vadinti galaktikomis) ir pasiūlė formulę, kuri susietų atstumą su ūku jo akivaizdžiu ryškumu. Nepaisant didžiulių šio metodo klaidų, nauji duomenys patvirtino, kad ūkai kosmose pasiskirsto daugiau ar mažiau tolygiai ir yra toli už Paukščių Tako ribų. Dabar nebeliko jokių abejonių, kad mūsų Galaktikoje ir artimiausiuose kaimynuose kosmosas nėra uždaras.
Kosmoso modeliuotojai
Eddingtonas „Slipher“rezultatais susidomėjo dar prieš galutinai išaiškinant spiralinių ūkų prigimtį. Tuo metu jau egzistavo kosmologinis modelis, tam tikra prasme numatantis „Slipher“atskleistą efektą. Eddingtonas daug apie tai galvojo ir, žinoma, nepraleido progos suteikti Arizonos astronomo stebėjimams kosmologinį garsą.
Šiuolaikinė teorinė kosmologija prasidėjo 1917 m. Iš dviejų revoliucinių straipsnių, kuriuose buvo pateikti visatos modeliai, pagrįsti bendruoju reliatyvumu. Vieną jų parašė pats Einšteinas, kitą - olandų astronomas Willemas de Sitteras.
Hablo dėsniai
Edvinas Hubble'as empiriškai atskleidė apytikslį raudonų poslinkių ir galaktikos atstumų proporcingumą, kurį jis, naudodamas Doplerio-Fizeau formulę, pavertė greičio ir atstumo proporcingumu. Taigi čia turime du skirtingus modelius.
Hablas nežinojo, kaip jie tarpusavyje susiję, bet ką apie tai sako šiandieninis mokslas?
Kaip jau parodė Lemaitre, linijinė koreliacija tarp kosmologinių (dėl Visatos plėtimosi) raudonų poslinkių ir atstumų anaiptol nėra absoliuti. Praktiškai jis gerai pastebimas tik tada, kai poslinkis yra mažesnis nei 0,1. Taigi empirinis Hablo dėsnis nėra tikslus, bet apytikslis, o Doplerio-Fizeau formulė galioja tik mažiems spektro poslinkiams.
Bet teorinis dėsnis, susiejantis tolimų objektų radialinį greitį su atstumu iki jų (su proporcingumo koeficientu Hablo parametro pavidalu V = Hd), galioja bet kokiems raudoniems poslinkiams. Tačiau jame pasirodantis greitis V nėra fizinių signalų ar tikrųjų kūnų greitis fizinėje erdvėje. Tai yra atstumų tarp galaktikų ir galaktikų spiečių didėjimo greitis, kurį lemia Visatos plėtimasis. Mes galėtume jį išmatuoti tik tuo atveju, jei sugebėtume sustabdyti Visatos plėtimąsi, akimirksniu ištempti matavimo juostas tarp galaktikų, perskaityti atstumus tarp jų ir padalyti į laiko intervalus tarp matavimų. Natūralu, kad fizikos dėsniai to neleidžia. Todėl kosmologai mieliau naudoja Hablo parametrą H kitoje formulėje,kur atsiranda Visatos mastelio koeficientas, tiksliai apibūdinantis jo išsiplėtimo laipsnį skirtingose kosminėse epochose (kadangi šis parametras bėgant laikui keičiasi, jo šiuolaikinė vertė žymima H0). Visata dabar plečiasi pagreičiu, todėl Hablo parametro vertė didėja.
Matuodami kosmologinius raudonus poslinkius, mes gauname informaciją apie kosmoso išsiplėtimo laipsnį. Galaktikos šviesa, atėjusi pas mus su kosmologiniu raudonu poslinkiu z, paliko ją, kai visi kosmologiniai atstumai buvo 1 + z kartus mažesni nei mūsų epochoje. Papildomos informacijos apie šią galaktiką, pavyzdžiui, dabartinį jos atstumą ar atstumo nuo Paukščių Tako greitį, galima gauti tik naudojant konkretų kosmologinį modelį. Pavyzdžiui, Einstein-de Sitter modelyje galaktika, kurios z = 5, tolsta nuo mūsų 1,1 s greičiu (šviesos greičiu). Bet jei padarysite dažną klaidą ir tiesiog išlyginsite V / c ir z, tai šis greitis bus penkis kartus didesnis už šviesos greitį. Neatitikimas, kaip matome, yra rimtas.
Tolimų objektų greičio priklausomybė nuo raudonojo poslinkio pagal SRT, GRT (priklauso nuo modelio ir laiko, kreivė rodo esamą laiką ir dabartinį modelį). Esant mažiems poslinkiams, priklausomybė yra tiesinė.
Einšteinas, laikų dvasia, tikėjo, kad Visata kaip visuma yra statiška (jis bandė padaryti ją begalinę ir erdvėje, bet negalėjo rasti teisingų savo lygčių ribinių sąlygų). Dėl to jis sukūrė uždaros visatos modelį, kurio erdvė turi pastovų teigiamą kreivumą (todėl turi pastovų baigtinį spindulį). Laikas šioje Visatoje, priešingai, teka niutoniškai, ta pačia kryptimi ir tokiu pačiu greičiu. Šio modelio erdvė-laikas yra išlenktas dėl erdvinio komponento, o laiko komponentas niekaip nėra deformuotas. Statiškas šio pasaulio pobūdis suteikia ypatingą „įterpimą“į pagrindinę lygtį, užkertant kelią gravitaciniam žlugimui ir tuo pačiu veikiant kaip visur esantis antigravitacinis laukas. Jo intensyvumas yra proporcingas specialiai konstantai,kurią Einšteinas pavadino universalia (dabar ji vadinama kosmologine konstanta).
Lemaitre'o kosmologinis modelis, apibūdinantis visatos plėtrą, buvo toli už savo laiką. Lemaitre visata prasideda nuo Didžiojo sprogimo, po kurio plėtimasis pirmiausia sulėtėja, o tada pradeda spartėti.
Einšteino modelis leido apskaičiuoti visatos dydį, bendrą materijos kiekį ir net kosmologinės konstantos vertę. Tam reikia tik vidutinio kosminės materijos tankio, kurį iš esmės galima nustatyti iš stebėjimų. Neatsitiktinai Eddingtonas žavėjosi šiuo modeliu ir praktiškai naudojo „Hubble“. Tačiau jį sugadina nestabilumas, kurio Einšteinas paprasčiausiai nepastebėjo: menkiausiu spindulio nukrypimu nuo pusiausvyros vertės Einšteino pasaulis arba išsiplečia, arba patiria gravitacinį žlugimą. Todėl šis modelis neturi nieko bendro su tikrąja Visata.
Tuščias pasaulis
De Sitter taip pat pastatė, kaip pats tikėjo, statinį nuolatinio kreivumo pasaulį, bet ne teigiamą, o neigiamą. Joje yra Einšteino kosmologinė konstanta, tačiau materijos nėra. Įvedant savavališkai mažos masės bandomąsias daleles, jos išsisklaido ir eina į begalybę. Be to, laikas de Sitterio visatos periferijoje teka lėčiau nei jos centre. Dėl to iš didelių atstumų šviesos bangos pasiekia raudoną poslinkį, net jei jų šaltinis yra nejudantis stebėtojo atžvilgiu. Taigi 1920-aisiais Eddingtonas ir kiti astronomai domėjosi, ar de Sitterio modelis neturi nieko bendro su Slipherio pastebėjimuose atspindėta tikrove?
Šie įtarimai pasitvirtino, nors ir kitaip. Statiškas de Sitterio visatos pobūdis pasirodė esąs įsivaizduojamas, nes jis buvo susijęs su nesėkmingu koordinačių sistemos pasirinkimu. Ištaisius šią klaidą, de Sittero erdvė pasirodė esanti plokščia, euklidinė, bet nestatiška. Dėl anti-gravitacinės kosmologinės konstantos ji plečiasi, išlaikydama nulinį kreivumą. Dėl šio išsiplėtimo fotonų bangos ilgiai didėja, o tai reiškia de Sitterio numatytų spektrinių linijų poslinkį. Verta paminėti, kad taip šiandien paaiškinamas tolimų galaktikų kosmologinis raudonas poslinkis.
Nuo statistikos iki dinamikos
Atvirai nestatiškų kosmologinių teorijų istorija prasideda dviem sovietų fiziko Aleksandro Friedmano dokumentais, paskelbtais Vokietijos žurnale „Zeitschrift fur Physik“1922 ir 1924 m. Friedmanas apskaičiavo visatų modelius su kintamais teigiamais ir neigiamais kreiviais, kurie tapo teorinės kosmologijos aukso fondu. Tačiau jo amžininkai šių kūrinių beveik nepastebėjo (Einšteinas iš pradžių netgi laikė pirmąjį Friedmano straipsnį matematiškai klaidingu). Pats Friedmanas tikėjo, kad astronomija dar neturi stebėjimų arsenalo, kuris leistų nuspręsti, kuris iš kosmologinių modelių labiau atitinka tikrovę, todėl apsiribojo grynąja matematika. Galbūt jis būtų pasielgęs kitaip, jei būtų susipažinęs su „Slipher“rezultatais, tačiau taip neatsitiko.
Didžiausias 20 amžiaus pirmosios pusės kosmologas Georgesas Lemaitre'as mąstė kitaip. Namuose, Belgijoje, jis apsigynė matematikos disertaciją, o 1920-ųjų viduryje studijavo astronomiją - Kembridže pas Eddingtoną ir Harvardo observatorijoje Harlow Shapley (viešėdamas JAV, kur MIT parengė antrąją disertaciją). susitiko su Slipher ir Hubble). Dar 1925 m. Lemaitre pirmasis parodė, kad statinis de Sitterio modelio pobūdis buvo įsivaizduojamas. Grįžęs į tėvynę kaip profesorius Luveno universitete, Lemaitre'as sukūrė pirmąjį besiplečiančios visatos modelį su aiškiu astronominiu pagrindu. Neperdėdamas, šis darbas buvo revoliucinis kosmoso mokslo proveržis.
Ekumeninė revoliucija
Savo modelyje Lemaitre išlaikė kosmologinę konstantą su Einšteino skaitine verte. Todėl jo visata prasideda statinėje būsenoje, tačiau laikui bėgant, dėl svyravimų, ji vis didesniu greičiu eina į nuolatinės plėtros kelią. Šiame etape jis išlaiko teigiamą kreivumą, kuris spinduliui augant mažėja. Lemaitre'as į savo visatos sudėtį įtraukė ne tik materiją, bet ir elektromagnetinę spinduliuotę. Nei Einšteinas, nei de Sitteras, kurių darbus žinojo Lemaitre, nei Friedmanas, apie kuriuos jis tuo metu nieko nežinojo.
Susietos koordinatės
Atliekant kosmologinius skaičiavimus, patogu naudoti lydinčias koordinačių sistemas, kurios plečiasi vieningai su visatos plėtimusi. Idealizuotame modelyje, kai galaktikos ir galaktikos spiečiai nedalyvauja jokiuose tinkamuose judėjimuose, jų lydinčios koordinatės nesikeičia. Bet atstumas tarp dviejų objektų tam tikru laiko momentu yra lygus jų pastoviam atstumui lydimosiomis koordinatėmis, padaugintam iš to momento mastelio koeficiento dydžio. Šią situaciją galima lengvai iliustruoti pripučiamame gaublyje: kiekvieno taško platuma ir ilguma nesikeičia, o atstumas tarp bet kurios taškų poros didėja didėjant spinduliui.
Pridedamų koordinačių naudojimas padeda suprasti gilius besiplečiančios Visatos kosmologijos, ypatingojo reliatyvumo ir Niutono fizikos skirtumus. Taigi Niutono mechanikoje visi judesiai yra santykiniai, o absoliutus nejudrumas neturi fizinės prasmės. Priešingai, kosmologijoje nejudrumas lydimose koordinatėse yra absoliutus ir iš esmės gali būti patvirtintas stebėjimais. Specialioji reliatyvumo teorija apibūdina procesus erdvėje ir laike, iš kurių, naudojant Lorentzo transformacijas, galima be galo daug būdų izoliuoti erdvinius ir laikinius komponentus. Kosmologinis erdvėlaikis, priešingai, natūraliai suyra į kreivą besiplečiančią erdvę ir vienintelį kosminį laiką. Šiuo atveju tolimų galaktikų recesijos greitis gali būti daug kartų didesnis nei šviesos greitis.
Lemaitre, grįžęs į JAV, teigė, kad tolimųjų galaktikų raudoni poslinkiai atsiranda dėl erdvės išsiplėtimo, kuris „ištempia“šviesos bangas. Dabar jis tai įrodė matematiškai. Jis taip pat pademonstravo, kad maži (daug mažesni už vienybę) raudoni poslinkiai yra proporcingi atstumui iki šviesos šaltinio, o proporcingumo koeficientas priklauso tik nuo laiko ir neša informaciją apie dabartinį Visatos plėtimosi greitį. Kadangi iš Doplerio-Fizeau formulės išplaukė, kad galaktikos radialinis greitis yra proporcingas raudonajam poslinkiui, Lemaître'as padarė išvadą, kad šis greitis taip pat yra proporcingas jo atstumui. Išanalizavęs 42 galaktikų greitį ir atstumą iš Hablo sąrašo ir atsižvelgdamas į intragalaktinį Saulės greitį, jis nustatė proporcingumo koeficientų reikšmes.
Nepastebėtas darbas
Lemaitre savo darbą 1927 m. Paskelbė prancūzų kalba neįskaitomame žurnale „Annals of the Scientific Society of Brussels“. Manoma, kad tai buvo pagrindinė priežastis, kodėl ji iš pradžių liko beveik nepastebėta (net jo mokytojas Eddingtonas). Tiesa, tų pačių metų rudenį Lemaitre galėjo aptarti savo išvadas su Einšteinu ir sužinoti iš jo apie Friedmanno rezultatus. Bendro reliatyvumo kūrėjui nebuvo jokių techninių prieštaravimų, tačiau jis ryžtingai netikėjo fizine Lemaitre modelio tikrove (kaip ir anksčiau nepriėmė Friedmanno išvadų).
Hablo siužetai
Tuo tarpu 1920-ųjų pabaigoje Hablas ir Humasonas rado linijinę koreliaciją tarp atstumų iki 24 galaktikų ir jų radialinio greičio, apskaičiuoto (daugiausia pagal Slipher) nuo raudonųjų poslinkių. Iš to Hablas padarė išvadą, kad galaktikos radialinis greitis yra tiesiogiai proporcingas atstumui iki jos. Šio proporcingumo koeficientas dabar žymimas H0 ir vadinamas Hablo parametru (pagal naujausius duomenis jis šiek tiek viršija 70 (km / s) / megaparseką).
Hablo darbas su galaktikos greičių ir atstumų linijinio ryšio grafiku buvo paskelbtas 1929 m. Pradžioje. Metais anksčiau jaunasis amerikiečių matematikas Howardas Robertsonas, sekdamas Lemaitre, šią priklausomybę padarė išvadą iš besiplečiančios Visatos modelio, apie kurį Hablas galėjo žinoti. Tačiau garsiajame jo straipsnyje šis modelis nebuvo minimas nei tiesiogiai, nei netiesiogiai. Vėliau Hablas išreiškė abejones, ar jo formulėje rodomi greičiai iš tikrųjų apibūdina galaktikų judėjimą kosminėje erdvėje, tačiau jis visada susilaikė nuo jų konkretaus aiškinimo. Savo atradimo prasmę jis įžvelgė demonstruodamas galaktikos atstumų ir raudonų poslinkių proporcingumą, o likusius palikdamas teoretikams. Todėl su visa pagarba Hablui nėra pagrindo jį laikyti Visatos išsiplėtimo atradėju.
Ir vis dėlto jis plečiasi
Nepaisant to, Hablas atvėrė kelią visatos plėtimosi ir Lemaitre'o modelio pripažinimui. Jau 1930 m. Jai buvo pagerbta tokie kosmologijos meistrai kaip Eddingtonas ir de Sitteris; šiek tiek vėliau mokslininkai pastebėjo ir įvertino Friedmano darbą. 1931 m. Eddingtono siūlymu Lemaitre išvertė į anglų kalbą savo straipsnį (su nedideliais pjūviais) Karališkosios astronomijos draugijos mėnesinėms naujienoms. Tais pačiais metais Einšteinas sutiko su Lemaitre išvadomis, o po metų kartu su de Sitteriu pastatė besiplečiančios visatos modelį su plokščia erdve ir išlenktu laiku. Šis modelis dėl savo paprastumo jau seniai buvo labai populiarus tarp kosmologų.
Tais pačiais 1931 m. Lemaitre paskelbė trumpą (ir be jokios matematikos) dar vieno Visatos modelio aprašymą, apjungiantį kosmologiją ir kvantinę mechaniką. Šiame modelyje pradinis momentas yra pirminio atomo sprogimas (Lemaitre'as jį taip pat vadino kvantu), dėl kurio atsirado ir erdvė, ir laikas. Kadangi gravitacija lėtina naujagimės plėtrą, jos greitis mažėja - gali būti, kad beveik iki nulio. Vėliau Lemaitre įvedė į savo modelį kosmologinę konstantą, kuri privertė Visatą bėgant laikui pereiti į stabilų spartėjančios ekspansijos režimą. Taigi jis numatė ir Didžiojo sprogimo idėją, ir šiuolaikinius kosmologinius modelius, kurie atsižvelgia į tamsiosios energijos buvimą. 1933 m. Jis nustatė kosmologinę konstantą su vakuumo energijos tankiu, apie kurį niekas anksčiau negalvojo. Tai tiesiog nuostabukiek šis mokslininkas, neabejotinai vertas Visatos išsiplėtimo atradėjo vardo, lenkė savo laiką!
Aleksejus Levinas