Учебник : Часть 1 | Часть 2 | Часть 3 | Часть 4 | Возраст | Расстояния | Список литературы | Теория относительности
Доказательства модели Большого взрыва исходят из множества наблюдаемых данных, которые соответствуют модели Большого взрыва. Ни одно из этих доказательств Большого взрыва, как научной теории не является определяющим. Многие из этих фактов соответствуют как Большому взрыву, так и некоторым другим космологическим моделям, но взятые все вместе эти наблюдения показывают что модель Большого взыва является на сегодня наилучшей моделью Вселенной. Эти наблюдения включают:
Доказательства ускоряющегося расширения вытекают из наблюдений яркости далеких сверхновых звезд. Мы наблюдаем красное смещение сверхновой, которое дает нам фактор - во сколько раз расширилась Вселенная с тех пор, как взорвалась сверхновая. Этот фактор равен (1+z), где z - величина красного смещения. Но для того, чтобы определить ожидаемую яркость сверхновой, нам нужно знать расстояние до нее сейчас. Если расширение Вселенной ускоряется благодаря космологической постоянной, тогда расширение было более медленным в прошлом, и, таким образом, время, необходимое для расширение в данное количество раз будет больше, а расстояние СЕЙЧАС также будет больше. Если же расширение замедляется, то оно было быстреев прошлом и расстояние СЕЙЧАС меньше. Тогда для ускоряющегося расширения сверхновые с большими значениями красного сдвига будут выглядеть слабее, чем для замедляющегося расширения, поскольку текущие расстояния до них будут больше. Заметим, что все эти расстояния пропорциональны возрасту Вселеной [или 1/Ho], но эта зависимость прекращается при сравнении близких сверхновых при z близких к 0.1 с дальними сверхновыми с z близких к 1.
Квинтэссенция, или пятая эссенция, это пятый элемент сверх обычных элементов земли, воздуха, огня и воды древней химии. Steinhardt с соавторами применил термин квинтэссенция как наименование для модели частиц энергии вакуума которые вызывают ускорение расширения Вселенной. Поиск в разделе astro-ph на LANL preprint сервере XXX с запросом "quintessence" в рефератах дает более 100 статей из которых самая старая статья датирована 1998 годом.
В вопросе содежратся некоторые скрытые предположения о расстоянии и времени, которые не соответствуют всем определениям расстояния и времени. Спрашивающий полагает что все галактики стартовали из единой точки в ходе Большого взрыва, и что наиболее удаленная галактика удалялась от нас в течеие половины возраста Вселенной почти со скоростью света, после чего испустила свет, который шел к нам со скоростью света. Предполагая постоянные скорости, мы должны игнорировать гравитацию, что соответствует почти пустой Вселенной. В пустой Вселенной, существует одно из многих возможных определений расстояния, которое согласуется с предположениями в этом вопросе: угловое расстояние, которое позволяет достичь максимального значения скорости света за одну вторую возраста Вселенной. Смотри в Части 2 космологического учебника обсуждение других видов расстояния, которые обращаются в бесконечность в модели пустой Вселенной, поскольку они означают неограниченную Вселенную.
Когда мы говорим о расстоянии до движущегося объекта, мы подразумеваем пространственное разделение ТЕПЕРЬ, с позициями обоих объектов определенных в текущий момент времени. В расширяющейся Вселенной это расстояние ТЕПЕРЬ больше, чем скорость света умноженная на время движения света, из-за возрастания промежутков между объектами по мере расширения Вселенной. Это происходит не из за того, что возникают изменения в единицах пространства и времени, а вызвано тем, что тела находятся дальше в данный момент, чем это кажется.
Каково расстояние ТЕПЕРЬ до наиболее удаленных объектов, которые мы можем
видеть? Возьмем возраст Вселенной равным 10 миллиардам
лет. За это время свет прошел 10 миллиардов всетовых лет,
и часть людей останавливаются на этой мысли. Однако, расстояние
росло всё время, пока путешествовал свет. Среднее время которое
свет путешествовал было 5 миллиардов лет назад. Для случая
критической плотности,
множитель шкалы для Вселенной есть
степень 2/3 времени, прошедшего с момента Большого взрыва, таким образом
Вселенная выросла в 22/3 = 1.59 раза с точки
середины пути света. Но размер Вселенной
изменялся непрерывно, поэтому нам следует разделить
путь света на короткие интервалы. Для начала возьмем два
интервала: 5 миллиардов лет со средним временем 7.5 миллиардов
лет после Большого взрыва, что дает 5 миллиардов световых
лет, которые выросли в 1/(0.75)2/3 =
1.21 раза, плюс другие 5 миллиардов световых лет со средним временем
2.5 миллиарда лет после Большого взрыва, которые выросли
в 42/3 = 2.52 раза. Тогда во всем интервале мы
получим 1.59*10 = 15.9 миллиардов световых лет, тогда как для
двух интервалов мы получим 5*(1.21+2.52) = 18.7 миллиардов световых лет.
При 8192 интервалах мы получим 29.3 миллиардов световых лет.
В пределе очень большого числа интервалов времени мы получим
30 миллиардов световых лет. В расчетах весь этот параграф
сводится к такому выражению:
Другой способ увидеть это заключается в рассмотрении фотона и галактики, расположенной от нас сегодня на расстоянии 30 миллиардов световых лет, через 10 миллиардов лет после Большого Взрыва. Расстояние этого фотона удовлетворяет равенству D = 3ct. Если мы подождем в течение 0.1 миллиарда лет, то Вселенная расширится в (10.1/10)2/3 = 1.0066 раза, таким образом, галактика окажется на расстоянии в 1.0066*30 = 30.2 миллиардов лет. Однако свету пришлось путешествовать на 0.1 миллиарда световых лет дальше, чем галактике, поскольку свет двиджется со скоростью света по отношению к непосредственно окружающей его материи и, таким образом, будет теперь на расстоянии D = 30.3 миллиарда световых лет, поэтому соотношение D = 3ct останется справедливым.
Если плотность Вселенной не достигает критической плотности, то расстояние отличается, и при малых плотностях, что представляется более вероятным, расстояние ТЕПЕРЬ до наиболее удаленных объектов мы можем наблюдать больше, чем в 3 раза превышающим скорость света, умноженную на возраст Вселенной.
У нас имеются наблюдения показывающие, что радиус кривизны Вселенной превышает 70 миллиардов световых лет. Однако данные наблюдений допускают как положительный, так и отрицательный радиусы крвизны, включая и возможность плоской Вселенной с бесконечным радиусом кривизны. Вселенная с отрицательной кривизной пространства также бесконечна, хотя и искривлена. Таким образом из эксперимента мы знаем, что Вселенная в несколько раз больше, чем её наблюдаемая часть. Из-за того, что мы видим лишь небольшую часть объекта, имеющего большой радиус кривизны, объект выглядит плоским. Простейшей математической моделью расчета наблюдаемых свойств Вселенной является, таким образом, модель пространства Эвклида. Эта модель бесконечна, но пока что мы знгаем о Вселенной лишь то что она действительно велика.
Разумеется, Вселенная должна быть старше, чем самые старые звезды в ней. Поэтому в вопросе обычно спрашивается о том: какие оценки ошибочны -
Оцениваемый возрат Вселенной был увеличен наблюдениями ускоряющегося расширения Вселенной. Текущее наилучшее значение составляет 13.7 ± 0.2 миллиардов лет по данным WMAP.
Определение возраста самых старых звезд требует знания их светимости, которая зависит от расстояния до них. Это приводит к 15% неопределенности возраста самых старых звезд из-за сложности определения расстояния.
Таким образом, расхождение между возрастом самых старых объектов во Вселенной и её возрастом, рассчитываемым из скорости расширения, всегда находилось пределах ошибки. Фактически, в 1997 году уточненные расстояния от спутника HIPPARCOS показали, что самые старые звезды моложе, а результаты WMAP в 2003 показали, что Вселенная старше, поэтому расхождение исчезло.
Опять же, это вопрос, ответ на который зависит от того, какое из многих определений понятия расстояния Вы используете. Если мы примем, что расстояние объекта в момент времени t это расстояние от нашего места расположения в момент времени t до места расположения объекта в момент t, измеренное множеством наблюдателей движущихся с расширяющейся Вселенной, и происводящих свои наблюдения в момент, когда они видят Вселенную в возрасте t, то скорость (изменение D при изменении t) определенно может быть больше скорости света. Это не противоечит специальной теории относительности, поскольку это расстояние это не то же самое пространственное расстояние, используемое в СТО, а возраст Вселенной это не то же самое время, используемое в СТО. В специальном случае пустой Вселенной, где можно представить модель одновременно в координатах специальной теории относительнсти и космологических координатах. Скорость, определяемая как изменение космологического расстояния в единицу космологического времени, дается уравнением v = c ln(1+z), где z - красное смещение. При этом скорость очевидно становится бесконечной при величине красного смешения, стремящегнося к бесконечности, и становится больше c для z > 1.718. При плотности Вселенной, равной критической, скорость дается уравнением v = 2c[1-(1+z)-0.5] и становится больше c при z > 3 .
В модели, согласующейся с даными на основе реликтового излучения и учитывающей ускорение расширения, измеренное с использованием сверхновых для случая плоской Вселенной с OmegaM = 0.27, скорость превышает c при z > 1.407.Красным смещением объекта называется величина сдвига в красную область спектра спектральных линий от источника света. Таким образом, длина волны возрастает. Более точно, величина красного смещения соответствует выражению
z = [WL(obs)-WL(em)]/WL(em)где WL(em) излучаемая длина волны линии, которая известна нам из лабораторных измерений, а WL(obs) наблюдаемая длина волны линии. В расширяющейся Вселенной, удаленные объекты имеют красное смещение, с величиной z = Ho D/c для небольших расстояний. Этот закон был открыт Хабблом (Hubble) а величина Ho известна как постоянная Хаббла (Hubble constant).
Краткий ответ
Стоктон (Stockton) (1978, ApJ, 223, 747) наблюдал слабые галактики на небе вблизи к ярким квазарам со средними величинами красных смещений. Он выбрал квазары со средними величинами красных смещений, и потому смог разглядеть галактики с красным смещением, равным смещению для квазара. Он обнаружил, что значительная доля красных смещений слабых галактик согласуется с красными смещениями квазаров. Другими словами, квазары связаны с галактиками имеющими то же красное смещение, что и квазар и имеют именно такую ожидаемуяю яркость, соответствующую тому, что квазары находятся от нас на космологических расстояниях. Таким образом, по мепньшей мере некоторые квазары находятся на расстояниях, указываемых их красными смещениями, включая, например, некоторые наиболее яркие квазары: например 3C273. Тогда простой ответ, напрашивающийся в силу принципа бритвы Оккама такой, что все квазары находятся на расстояниях, указываемых их красными смещениями.
Следующим аргументом в пользу космологических красных смещений квазаров является замечательно строгий порядок, заключающийся в том, что линии поглошщения квазара всегда имеют красные смещения меньше или равные, красному смещению линий испускания квазара. В системе гравитационных линз, красное смещение линзы всегда меньше, чем красное смещение фокусируемого объекта. Так влияющие системы, такие как фокусирующие галактики или поглощающие облака, которые, очевидно, располагаются на более кототких расстояниях, чем квазары, также имеют меньшие величины красных смещений.
Статистические аргументы развиваемые в работах Arp с моавторами в пользу аномальных красных смещений квазаров зачастую носостоятельны.
Одним из знаменитых объектов с различными красными смиещениями, обнаруживаемыми в одной и той же области неба является квинтет Стефана. Однако галактика с низким красным смещением (нижний левый угод) является очевидно более разрешенной в звезды и выглядит более "пятнистой". В сответствии с методом определения расстояний по методу флуктуаций поверхностной яркости, эта пятнистость означает, что галактика с небольшим красным смещением на самом деле находится гораздо ближе к нам, чем другие четыре члена квинтета.
Замедление времени является следстивием стандартной интерпретации красного смещения: сверхновая, которой необходимо 20 дней, чтобы потухнуть будет казаться затухающей в течение 40 дней, если она наблюдается с красным смещением z=1. Замедление времени наблюдалось в различных 5 опубликованных измерениях этого эффекта на кривых светимости сверхновых. Вот эти работы:
Это зависит от того, как Вы проводите измерения или от выбора координат. С одной точки зрения меняется пространственное положение галактик, и это вызывает красное смещение. С другой точки зрения, галактики располагаются в фиксированных точках системы координат, но расстояния между фиксированными точками возрастает со временем, и это вызывает красное смещение. Общая теория относительности поясняет, каким образом можно преобразовать одну точку зрения в другую, и наблюдаемые эффекты, такие как красное смещение, являются одними и теми же с обоих точек зрения. В Части 3 учебника приведены пространственно-временные диаграммы для Вселенной в обоих случаях.
В отсутствии космологической константы, объект, появившийся в состоянии покоя, не улетает затем прочь от нас, присоединяясь к потоку Хаббла. Вместо этого, он падает мимо нас, и затем присоединяется к потоку Хаббла с другой стороны неба, как это было показано Davis, Lineweaver & Webb (2003, AJP, 71, 358). В наиболее приемлемых (что спорно) координатах, космического времени t и расстояния D(t), измеренного в точности в момент космического времени t, величина ускорения составит g = -GM(r<D)/D2, где M(r<D) есть масса, содержащаяся в пределах радиуса D. В результате имеем g = -(4*p/3)*G*(r(t)+3P(t)/c2)*D(t). Член 3P/c2 является поправкой общей теории относительности по отношению к Ньютоновской динамике. Все галактики движутся под действием ускорения, начального положения и скорости. Иными словами, F = ma и гравитация обеспечивает силу. Не требуется ничего экстраординарного или таинственного.
См. также ответ на этот вопрос в [FAQ по теории относительности].
На этот вопрос проще всего ответить в системе координат, в котрой галактики меняют свое положение. Галактики удаляются от нас, поскольку они начали от нас удалятся и силы гравитации лишь вызывают ускорение, котрое замедляет их или ускоряет в случае ускоряющегося расширения. Планеты обращаются вокруг Солнца по фиксированным орбитам, т.к. они привязаны к Солнцу. Всё движется подчиняясь законам Ньютона (с очень незначительными поправками из-за теории относительности). [Иллюстрация] Для интересующихся деталями, Куперсток (Cooperstock) с соавторами рассчитали, что влияние космологического расширения на рост орбиты Земли вокруг Солнца на одну часть на септилион (1024) за время жизни Солнечной системы. Этот эффект вызывается изменением плотности космологического фона в пределах Солнечной системы, снижающейся по мере расширения Вселенной, что может иметь место, а может быть и нет, в зависимости от природы темной материи. Потеря массы Солнцем из-за его свечения и Солнечного ветра приводит к гораздо большему эффекту, [но тоже крошечному] в увеличении орбиты Земли, которое уже не имеет никакого отношения к расширению Вселенной. Даже на значително больших масштабах (миллион световых лет) характерных для скоплений галактик, влияние расширения Вселенной в 10 миллионов раз слабее, чем гравитационное взаимодействие галактик в скоплении.
См. также ответ на этот вопрос в FAQ по теории относительности.
Определения длины и времени в стандартной модели не меняются. Секунда по-прежнему равна 9192631770 циклов цезиевых атомных часов, а метр это по прежнему расстояние, преодолеваемое светом за 9192631770/299792458 циклов сезиевых атомных часов.
Вселенная по-видимому гомогенна и изотропна, и существует лишь три возможных геометрии, которые гомогенны и изотропны, как показано в Части 3. Плоское пространство подчиняется геометрии [Эвклида], в котрой сумма углов треугольника равна 180o. Искривленное пространство подчиняется не Эвклидовой геометрии. В положительно искривленном, или гиперсферическом пространстве, сумма углов треугольника больше 180o, и этот избыточный угол равен площади треугольника, деленной на квадрат радиуса кривизны поверхности. В отрицательно искривленном или гиперболическом пространстве, сумма углов в треугольнике меньше 180o. Когда [Гаусс (Gauss)] предложил такую не Эвклидову геометрию он пытался измерять большие треугольники, однако получил сумму углов 180o поскольку радиус Вселенной очень большой (если не бесконечный) поэтому избыточные или недостающие углы для любого измеряемого треугольника должны быть крошечные. Еслирадиус кривизны бесконечен, то Вселенная плоская.
[Бойяи (Bolyai)] разработал и опубликовал эту геометрию, после чего Гаусс (Gauss) писал отцу Бойяи: "Восхищение этой работой будет во многом восхищением мною самим. Ибо всё содержание раьоты ... совпадает почти в точности с моими собственными размышлениями, которые занимали меня в течение последних тридцати или тридцати пяти лет." [Лобачевский] также опубликовал очень похожую работу "О началах геометрии" в малоизвестном журнале Казанский вестник (1821-1833гг).
Большой взрыв фактически ничем не похож на черную дыру. Большой взрыв это сингулярность, распространяющаяся на всё пространство в одно мгновение, тогда как черная дыра это сингулярность, распроостраняющаяся на все времена в одной точке. Более подробно, смотрите FAQ по физике.
Вопрос основывается на досточно распространенном заблуждении о том, что Вселенная это некий искривленный объект встроенный в пространство большего числа измерений, и Вселенная расширяется в это пространство. Заблуждению, вероятно, способствовала аналогия воздушного шара, показывающая 2-мерную сферическую модель Вселенной, расширяющуюся в 3-мерное пространство. Хотя рассуждать таким путем о Вселенной возможно, однако, это не является необходимым, не существует ничего такого, что мы измерили или можем измерить, что показало бы нам что-нибудь об этом большем пространстве. Всё, что мы измеряем, находится в пределах Вселенной, и мы не видим каких-либо краев или границ или центра расширения. Таким образом, Вселенная не расширяется во что-либо, что мы можем увидеть, и это бесполезно думать об этом. Также как Гиперкуб Дали (Dali) всего лишь двумерное изображение трехмерного объекта, которое представляет поверхность 4-мерного куба, не забывайте, что аналогия воздушного шара это лишь двумерная картинка трехмерной ситуации, которая, как предполагается, поможет Вам размышлять об искривленном трехмерном пространстве, но она не означает, что действительно существует четырехмерное пространство, в которое расширяется Вселенная.
Стандартаня модель Большого взрыва в момент Большого взрыва сингулярна, t = 0. Это означает, что Вы не можете определить время, поскольку пространство-время сингулярно. В некоторых моделях, таких как хаотияная или вечная инфляция, предпочитаемая Линде (Linde), Большой взрыв является лишь одним из расширяющихся пузырьков в пространственно-временной пене. Однако не существует возможности получения информации снаружи от нашего собственного пузырька. Таким образом, я прихожу к выводу, что: ["О чем нельзя говорить, о том должно молчать."]
[От Брюса Маргона (Bruce Margon) и Крейга Хогана (Craig Hogan) из Университета Вашингтона]
Производство энтропии во Вселенной вопрос тонкий и до конца не решенный. Теоретики все еще пытаются установить, что происходит с энтропией материи, которая падает в черную дыру, эта проблема включает в себе вопросы квантовой механики и теории гравитации. Когда попытки создать квантовую теорию гнравитации увенчаются успехом, она должна объяснить почему Вселенная вышла из сингулярности Большого взрыва с очень большой энтропией, и что происходит с энтропией Вселенной, когда она вновь сжимается.
Энтропия связана с количеством состояний в которых может находиться данная система. Так тасованая карточная колода имеет энтропию выше, чем новая колода в котрой все карты разложены по порядку. Добавление энергии в систему обычно порождает новые состояния, и увеличивает энтропию. Температура системы определяется с учетом того, что kT есть количество энергии, необходимое для увеличения числа доступных состояний в e = 2.71828... раз, где k - постоянная Больцмана. Перенос тепла из горячей части системы в холодную часть увеличивает число способов упорядочить холодную часть в большее число раз, чем снижается число способов упорядочить горячую часть системы. Таким образом, обычный поток тепла от горячего тела к холодному приводит к росту числа способов, котроыми может быть упорядочена вся система, т.е., что, в свою очередь, ведет к росту общей энтропии системы.
Энтропия не обязана все время расти в открытых системах. С помщью энергии можно заставить энтропию уменьшаться для некой определенной системы. Ваш холодильник делает это удаляяя тепло из корпуса холодильника, если Вы рассмотрите внутреннюю часть своего холодильника как отдельную систему. Разумеется, если Вы рассматриваете как внутреннюю так и внешнюю части холодильника тогда обнаружится рост энтропии из за неэффективности холодильника.
Поскольку энтропия это статистическое явление, кратковременные флуктуации в малых системах могут снижать энтропию.
Энтропия остается постоянной в системах, находящихся в состоянии температурного равновесия в которых нет притока или оттока тепла. Более или менее это по-видимому выполняется для случая Вселенной или для любого репрезентативного участка Вселенной, имеющего те же свойства, что и Вселенная. Подавляющее большинство энтропии Вселенной это энтропия фонового реликтового излучения, поскольку подавляющее большинство частиц во Вселенной, это фотоны реликтового излучения. По мере расширения Вселенной, температура излучения падает, что сохраняет энтропию постоянной. Если Вселенной предстоит коллапсировать в некоторый момент, то излучение снова нагреется, чтобы энтропия оставалась постоянной. При расширении Вселенной излучение в начале находилось в состоянии термодинамического равновесия с веществом и затем отклеилось. При коллапсе излучение и вещество снова придут в состояние термодинамиического равновесия. Всё, что происходило с динамикой материи в предшествующий период, отразится в конечном термодинамическом равновесии с излучением. Конечная энтропия Вселенной при достижении ею сингулярной стадии Большого хруста должна быть выше, чем начальная энтропия Вселенной, из-за тепла, выделившегося при термоядерном синтезе в звездах, поэтому повторный коллапс не приводит к снижению энтропии.
Если астрономы складывают массы и яркости звезд вблизи Солнца, то оказывается, что имеется около 3 масс Солнца на каждую 1 солнечную яркость. При измерении полной массы скоплений галактик и сравнении с общей яркостью скопления, оказывается, что на каждую солнечную светимость приходится около 300 солнечных масс. Очевидно, что большая часть массы Вселенной является темной. Если Вселенная имеет критическую плотность, то в ней имеется около 1000 солнечных масс на каждую солнечную яркость, таким образом, даже большая доля Вселенной является темной материей. Однако теория нуклеосинтеза Большого Взрыва свидетельствует, плотность обычной материи (всего, что состоит из атомов) может быть по меньшей мере 10% от критической плотности, таким образом большая часть Вселенной не испускает света, не рассеивает свет, не поглощает свет, и даже не состоит из атомов. Её можно "увидеть" лишь по её гравитационному воздействию. Эта "не-барионная" темная материя может быть нейтрино, если они имеют небольшие массы вместо того, чтобы не обладать массой покоя, или это могут быть WIMPs (Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы - Weakly Interacting Massive Particles), или это могут быть первоначальные черные дыры. Мой кандидат на премию "наименее уловимых" это гопотетические стабильные массивные остатки Планка от первоначальных черных дыр, которые испарились путем излучения Хокинга (Hawking). Излучение Хокинга от пока еще не испарившихся первоначальных черных дыр может быть обнаружено будущим телескопом гамма лучей, однако остатки в 20 микрограмм будет крайне сложно обнаружить.
Смотри также [FAQ по Теории относительности] ответ на этот вопрос, Джонатана Дюрси (Jonathan Dursi) [учебник] по темной материи, и Мартин Уайт (Martin White) о темной материи.
Это вопрос, наиболее часто задаваемый профессиональными астрономами.
Многие десятилетия вокруг величин авторов Sandage [Ho = 50] и
de Vaucouleurs [Ho = 100] устраивались длительные споры.
Многие наблюдатели считали, что геометрическое среднее
этих величин, Ho = 71 км/сек/МПс, будет хорошим компромисом.
Команда проекта космического телескопа Хаббла пришла к выводу, что
Ho = 72 ± 8 км/сек/МПс, и, наконец,
WMAP получены данные:
Начало | Учебник : Часть 1 | Часть 2 | Часть 3 | Часть 4 | Возраст | Расстояния | Литература | Теория относительности
© 1996-2005 Эдвард Райт (Edward L. Wright). Последняя редакция 21 сентября 2005г
..:: Перевел с английского В.Г. Мисовец
