Вопросы и задания для самоконтроля

Контрольные вопросы

• 8.1. По какой причине было введено представление о темной материи и темной энергии?
• 8.2. Что следовало из модели Фридмана и какое это имело значение для теории эволюции Вселенной?
• 8.3. Составьте схему эволюции Вселенной.
• 8.4. Постройте таблицу характерных масштабов различных структур Вселенной.
• 8.5. Какие экспериментальные основания лежат в основе концепции Большого взрыва?
• 8.6. Какие этапы проходят звезды в процессе своей эволюции?

Кейсы

Кейс 8.1.

Английский физик-теоретик Брэндон Картер (родился в 1942 г.): «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей». Высказывание Б. Картера стали интерпретировать так: законы физики и начальные условия были специально подстроены Проведением таким образом, чтобы гарантировать появление и эволюцию жизни.

Советский и российский физик Иосиф Леонидович Розенталь (1919—2004) предложил формулировку антропного принципа с точки зрения принципа целесообразности: «Основные физические закономерности и численные значения фундаментальных констант не только достаточны, но и необходимы для существования основных состояний во Вселенной». То есть не апеллируя напрямую к существованию человека.

Американский физик-теоретик Джои Арчибальд Уилер (1911—2008) рассматривал Вселенную как мегаскопическую квантовую систему, распространяя на нее квантовый способ описания и создавая тем самым совершенно новое видение Вселенной: «Тот, кто думает о себе просто как о наблюдателе, оказывается участником. В некотором странном смысле это является участием в создании Вселенной. Наблюдатели необходимы для привнесения Вселенной в бытие».

Задание. Проанализируйте приведенные формулировки антропного принципа. Распределите их по степени правдоподобия с вашей точки зрения. Объясните ваш выбор.

Кейс 8.2.

Красное смещение Эффект Доплера — это изменение длины волны, которое регистрируется приемником и возникает из-за движения источника и приемника.

При движении источника, но направлению к приемнику длина волны X уменьшается, а если источник удаляется, длина волны увеличивается:

где с — скорость распространения волн в среде; и — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приемнику, и отрицательная, если источник удаляется); со₀ — угловая частота, с которой источник испускает волны.

При движении приемника навстречу волнам он регистрирует их гребни чаще, и наоборот. Для движущегося источника и приемника мы имеем следующее соотношение:

где о) — частота, регистрируемая неподвижным приемником.

На рис. 8.1 показано изменение частоты волны от источника волн, перемещающегося налево. Если источник волн догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется — длина волны увеличивается.

При распространении электромагнитных волн в вакууме соотношение для частоты выводится из уравнений специальной теории относительности. Так как для распространения электромагнитных волн не требуется материальная среда, можно рассматривать только относительную скорость источника и наблюдателя:

Рис. 8.1.

где со — частота, регистрируемая неподвижным приемником; со₀ — угловая частота, с которой источник испускает волны; в — скорость источника относительно наблюдателя; с — скорость волны (в данном случае света); 0 — угол между направлением на источник и вектором скорости в системе отсчета приемника. Если источник радиально удаляется от наблюдателя, то 0 = 0, если приближается, то 0 = л.

Релятивистский эффект Доплера, в дополнение к своему классическому аналогу, характеризуется релятивистским замедлением времени. Последним фактором обусловлен поперечный эффект Доплера, когда угол между волновым вектором и вектором скорости источника 0 = тт/2. Поперечный эффект имеет релятивистскую природу и не имеет классического аналога.

Эффект Доплера нашел применение в астрономии. Например, по смещению линий спектра определяют радиальную скорость движения различных космических объектов. Если объект движется от наблюдателя, то регистрируется смещение спектра в сторону длинных волн (красное смещение). Если объект движется в сторону наблюдателя, то мы имеем смещение спектра волн в сторону коротких волн (фиолетовое смещение).

В астрономии наблюдают так называемое космологическое красное смещение для всех далеких источников (галактик, квазаров). Оно выражается в уменьшении частот излучения, что объясняется динамическим удалением этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т. е. нестационарностью (расширением) Метагалактики.

Природа космологического красного смещения связана с расширением пространства, которое следует из общей теории относительности. При этом, помимо космологического красного смещения, наблюдается красное или фиолетовое смещение как результат эффекта Доплера, возникающего вследствие собственного движения галактик. Чем дальше находится космический объект, тем меньше вклад эффекта Доплера в наблюдаемый спектр излучения от объекта.

Задание. Космологическое красное смещение электромагнитного излучения, идущее от различных галактик, возникает в результате постоянного расширения Вселенной. Если мы будем фиксировать это излучение из разных по направлению частей Вселенной, то космологическое красное смещение будет одно и то же, как будто Земля есть центр, от которого идет расширение Вселенной. Мы знаем, что это не так. Как же понимать полученные результаты?

Кейс 8.3.

Испарение черных дыр Известно, что черные дыры — это небольшие объекты, имеющие очень большую массу. Также известно, что они обладают столь большой силой притяжения, что даже фотоны, летящие со скоростью света, не могут вырваться из черной дыры.

Напомним, что у черной дыры есть граница, называемая горизонтом событий черной дыры. Об области, находящейся за этой границей, мало что известно. Она называется областью сингулярности, там большинство параметров стремится к бесконечности.

Рис. 8.2.

Долгое время считалось, что всё, попадающее за горизонт событий, назад уже не возвращается. Таким образом, поглощая всё, что окажется вблизи, черная дыра растет.

С. Хокинг нашел механизм, по которому черная дыра теряет свою массу (испаряется), а это ведет к уменьшению ее размера.

Напомним механизм потери массы черной дырой. Энергия черной дыры столь велика, что ее достаточно для рождения из вакуума электрон-позитронных пар. В обычной ситуации «позаимствованная» энергия для рождения пары возвращается после аннигиляции пары обратно. Но если это происходит вблизи горизонта событий черной дыры, то одна из частиц пары (имеющая положительную энергию) улетает от горизонта события вовне, а другая (с отрицательной энергией) устремляется к черной дыре.

Внешний наблюдатель видит только частицы, вылетающие из черной дыры, что мы и трактуем как испарение черной дыры. Поток этих частиц называется «излучением Хокинга».

Задание. Как, используя туннельный эффект и соотношение неопределенности, описать возможность частицы покинуть черную дыру?

Темы рефератов

• 8.1. Эволюция Вселенной от Большого взрыва и до наших дней.
• 8.2. Какая наша Вселенная: открытая или закрытая? Роль космологического члена в уравнении Эйнштейна.
• 8.3. Место и роль космологической модели Фридмана в эволюции представлений о Вселенной.
• 8.4. Современное представление о структуре Вселенной.

Рекомендуемая литература

Хокинг, С. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр /.

С. Хокинг. — М.: Амфора, 2014. — 231 с.

Штерн, Б. Прорыв за край мира / Б. Штерн. — М.: Троицкий вариант, 2014. —.

324 с.

Виленкин, А. Мир многих миров. Физики в поисках параллельных вселенных / А. Виленкин. — М.: Астрель, 2010. — 304 с.

Линде, А. Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология / А. Д. Линде. — М.: Наука, 1990. — 280 с.