Реликтовое излучение
ФГОУ ВПО ПЕРМСКИЙ ИНСТИТУТ ФСИН РОССИИ
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине: Концепции современного естествознания
На тему:
Выполнил: Елисеев Александр Александрович группа № 124
Отметка о зачете ________________________ ________________________
(Дата)
Пермь, 2010
ВВЕДЕНИЕ ------------------------------
РЕЛИКТОВОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ ------------------------------
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ----------- 5 стр.
ЧТО ТАКОЕ «РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ»? ----------------------- 9 стр.
ЗНАЧЕНИЕ РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕОРИИ
БОЛЬШОГО ВЗРЫВА ------------------------------
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ------------------------------
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ --------------------------- 17 стр.
ВВЕДЕНИЕ
Изучением рождения, развития, крупномасштабной структуры, свойств Вселенной занимается такой раздел астрономии, как космология (от греч. космос + логос). Это слово появилось не случайно. Появилось оно в Древней Греции, сейчас космосом и называют всё, что находится за пределами атмосферы Земли, в Древней Греции всё было не так. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония». В противоположность хаосу - «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.
Одним из предметов изучения космология является изучение происхождения Вселенной. По современным представлениям наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 13,5 миллиардов лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с бесконечно большими температурой и плотностью в результате Большого взрыва и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.
Теорию Большого Взрыва предложили в 20-х годах нашего века ученые Фридман и Леметр, в сороковых годах её дополнил и переработал Гамов. Согласно этой теории, когда-то давным-давно наша Вселенная представляла собой бесконечно малый сгусток, сверхплотный и раскалённый до немыслимых температур. Это нестабильное образование внезапно взорвалось, пространство быстро расширилось, а температура разлетающихся частиц, обладающих высокой энергией, начала снижаться. Примерно после первого миллиона лет атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звёзды и другие небесные тела. Звёзды старели, взрывались сверхновые, после чего появлялись более тяжёлые элементы. Они формировали звёзды более позднего поколения, такие, как наше Солнце. В качестве доказательств того, что в своё время произошёл Большой Взрыв, говорят о красном смещении света от объектов, расположенных на больших расстояниях, и микроволновом фоновом излучении.
На втором доказательстве микроволновом фоновом (реликтовом) излучении, как теме моей контрольной, я и остановлюсь более подробно.
РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году на основе созданной ими первой теории Большого взрыва.
Георгий (Джордж) Гамов выдающийся русский учённый эмигрировавший впоследствии в США. «Гамов же был одним из самых плодовитых гениев своего времени, эрудитом, стремительно выдававшим на-гора идеи, изменившие ход развития ядерной физики, космологии и даже исследований ДНК. Возможно, не случайно автобиография Джеймса Уотсона, который вместе с Фрэнсисом Криком раскрыл тайну молекулы ДНК, называется «Гены, Гамов и девушки». Коллега-физик Эдвард Теллер вспоминал: «90 % теорий Гамова были неправильны, очень легко было понять, что они неправильны. Но он никогда не возражал. Он был одним из тех, кто не испытывает особой гордости за свои открытия. Он выдавал последнюю идею, а затем рассматривал ее как шутку». Но оставшиеся 10% его теорий продолжали развиваться, изменяя всю мировую науку»1. Гамов родился в Одессе в 1904 год. Образование получил в Ленинградском университете 1922—1928гг. где физику преподавал Александр Фридман. В 1920-е годы в России Гамов впервые добился большого успеха, разрешив загадку радиоактивного распада. Окончательно покинул СССР осенью 1933 года, когда Гамов по рекомендации Иоффе был назначен советским представителем на Седьмом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе. В 1940-е годы интересы Гамова от теории относительности переместились в сторону космологии, которую он рассматривал как неизведанную ранее сферу деятельности.
Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5K , а Гамов дал предсказание в 3 K. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю Галактики и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.
Ни сам Г. Гамов, ни многие его последователи не ставили вопрос об экспериментальном обнаружении реликтового излучения. По видимому, они считали, что это излучение не может быть обнаружено, так как оно «тонет» в потоках энергии, приносимых на землю излучением звёзд и космических лучей.
Возможность обнаружения реликтового излучения на фоне излучения галактик и звёзд в области сантиметровых радиоволн была обоснована расчетами А. Г. Дорошкевича и И. Д. Новикова, выполненными по предложению Я. Б. Зельдовича в 1964 г., т. е. за год до открытия А. Пепзиаса и Р. Вилсона.
В 1965 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, сотрудники Веll Laboratories, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе (Нью-Джерси), решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала её надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи.
Для тестирования была выбрана длина волны 7,35 см, на которой не излучал ни один из известных источников. Работа долго не клеилась, поскольку антенна постоянно фиксировала некий дополнительный посторонний шум, от которого никак нельзя было избавиться. Сначала решили, что это шум, свойственный аппаратуре. Проверка всех компонентов и даже удаление из дорогостоящей аппаратуры неизвестно как попавшего туда голубиного помета эффекта не принесли. Радиотелескоп демонтировали, еще и еще раз испытали его «начинку». Самолюбие инженеров было задето, и поэтому проверка шла до последней детали, до последней пайки. Устранили, кажется, всё! Собрали снова – шум возобновился. Шум не зависел ни от направления антенны, что означало, что его источник находится за пределами Земли и ее атмосферы, ни от времени суток, то есть не мог быть связан с Солнцем или планетами. Если бы причина крылась в нашей Галактике, то интенсивность излучения изменялась бы из-за вращения 3емли вокруг своей оси и вокруг Солнца, изменяющего направление антенны на те или иные участки космоса. Шум же был везде и всегда.
Интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения абсолютно чёрного тела с температурой около 3 К (К - Кельвин, единица температуры: 0 К - «абсолютный нуль» - температура тела, состоящего из неподвижных атомов, а 273 К соответствует 0°С). Потратив около года на устранение неустранимой помехи, Пензиас и Вилсон поняли, что нашли то, чего не теряли, - реликтовое излучение ранней Вселенной, существование которого было предсказано Джорджем Гамовым еще в 1948 году.
По иронии судьбы, в то
же самое время Роберт Дикке и
Джим Пиблз из расположенного по соседству
с Холмделом Принстонского
Теоретическое обоснование открытия взяли на себя принстонцы, но тем не менее Нобелевская премия 1978 года была присуждена Пензиасу и Вилсону именно за практическое обнаружение излучения.
Можно себе представить, как возрадовались сторонники «горячей» модели, когда пришло это сообщение. Это открытие не только укрепило позиции «горячей» модели. Реликтовое излучение позволило со ступеньки времени квазаров (8-10 миллиардов лет) опуститься на ступеньку, соответствующую 300 тысячам лет от самого «начала». Одновременно подтверждалась мысль, что некогда Вселенная имела плотность в миллиард раз более высокую, чем сейчас.
ЧТО ТАКОЕ «РЕЛИКТОВОЕ
Чем является реликтовое излучение? Согласно теории большого Взрыва Вселенная возникла приблизительно 13,5 млрд. лет назад в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают. Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения, названного инфляцией, которая радикально изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тыс. лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. Так же в результате расширения первоначальное излучение стало куда менее интенсивным, но не пропало совсем. Именно его и обнаружили будущие нобелевские лауреаты.
Реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную, и, если мы могли бы видеть микроволны, все небо пылало бы с поразительно одинаковой яркостью во всех направлениях. Эта однородность является одной из главных причин, по которой это излучение считают теплом, оставшимся от Большого Взрыва. Но как может локальный источник создать подобную однородность? Оказывается, этому способствует сам процесс расширения пространства. Чтобы наглядно понять, как это происходит, можно представить себе такую большую и очевидную неоднородность, как гора Джомолунгма. Теперь необходимо начать мысленно растягивать эту гору в ширину, оставляя высоту неизменной. Если как следует постараться и растянуть ее в ширину, к примеру, на миллион километров, то получится почти идеально плоская поверхность - перепад высот в 8 км (высота горы) будет практически незаметен на таком колоссальном масштабе. Именно это и происходит при расширении пространства после большого Взрыва - все неоднородности сглаживаются. Но возникшие после инфляции крошечные изменения в плотности материи в ранней Вселенной должны были оставить отпечаток на реликтовом излучении в форме температурных колебаний от точки к точке.
ЗНАЧЕНИЕ
РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В
Известно, что нагретое вещество всегда излучает фотоны. Согласно общим законам термодинамики, в этом проявляется стремление к равновесному состоянию, при котором достигается насыщение: рождение новых фотонов компенсируется обратным процессом, поглощением фотонов веществом, так что полное число фотонов в среде не меняется.
Этот «фотонный газ» равномерно заполняет всю Вселенную. Температура газа фотонов близка к абсолютному нулю — около 3 кельвинов, но энергия, содержащаяся в нём, больше световой энергии, испущенной всеми звёздами за время их жизни. На каждый кубический сантиметр пространства Вселенной приходится приблизительно пятьсот квантов излучения, а полное число фотонов в пределах видимой Вселенной в несколько миллиардов раз больше полного числа частиц вещества, т. е. атомов, ядер, электронов, из которых состоят планеты, звёзды и галактики. Это общее фоновое излучение Вселенной называют с легкой руки И. С. Шкловского, реликтовым, т. е. остаточным, представляющим собой остаток, реликт плотного и горячего начального состояния Вселенной.
Предположив, что вещество
ранней Вселенной было горячим, Г. Гамов
предсказал, что фотоны, которые
находились тогда в термодинамическом
равновесии с веществом, должны сохраниться
в современную эпоху. Эти фотоны
и удалось непосредственно
В ходе последующего расширения Вселенной температура плазмы и излучения падала. Взаимодействие частиц с фотонами уже не успевало за характерное время расширения заметно влиять на спектр излучения. «В своей работе 1948 года Гамов впервые предположил, что излучение Большого Взрыва может иметь характерную особенность — это излучение абсолютно черного тела. Важнейшей характерной особенностью излучения абсолютно черного тела является его температура».2
Однако даже при полном отсутствии взаимодействия излучения с веществом в ходе расширения Вселенной чёрнотельный спектр излучения остаётся чёрнотельным, уменьшается лишь температура излучения. «На протяжении около 1 млн. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн. лет после Большого взрыва».3 Пока температура превышала 4000 K, первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до другого был много меньше горизонта Вселенной. При T ≈ 4000K произошла рекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия, Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. В ходе её дальнейшего расширения температура излучения продолжала падать, но чёрнотельный характер излучения сохранился как реликт, как «память» о раннем периоде эволюции мира. Это излучение обнаружили сначала на волне 7,35 см, а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см).
Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактический газ, ни излучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к микроволновому фоновому излучению: суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников. Этим, а также почти полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабных угловых флуктуации) доказывается космологическое, реликтовое происхождение микроволнового фонового излучения.
Фоновое излучение изотропно лишь в системе координат, связанной с «разбегающимися» галактиками, в т. н. сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе с Вселенной). В любой другой системе координат интенсивность излучения зависит от направления. Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с микроволновым фоновым излучением. Действительно, в силу эффекта Доплера, фотоны, распространяющиеся навстречу движущемуся наблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря на то, что в системе, связанной с м. ф. и., их энергии равны. Поэтому и температура излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей от направления.
Дипольная анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему времени твёрдо установлена: в направлении на созвездие Льва температура реликтового излучения на 3,5 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно м. ф. и. со скоростью около 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, что экспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно фонового излучения Она составляет ≈ 600 км/с.
Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения (FIRAS) установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer (COBE) выполнил точные измерения спектра реликтового излучения. Эти измерения стали наиболее точными на сегодняшний день измерениями спектра абсолютно чёрного тела. Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.
Спектр наполняющего Вселенную
реликтового излучения
«Автор теории вечной стационарной Вселенной — Хойл — вынужден был признать, что придется модернизировать теорию для объяснения реликтового излучения. В 1992 г. измерения ничтожно малых вариаций фонового излучения подтвердили еще одно из предсказаний теории расширяющейся Вселенной. Исследователи интерпретируют эту «рябь» как флуктуации плотности вещества и энергии на ранних стадиях эволюции Вселенной. Такая рябь может объяснить скучивание вещества под влиянием собственной гравитации, ведущее к образованию звезд, галактик и более крупных структур, наблюдаемых в современной Вселенной.
Космология Большого Взрыва Г. Гамова заняла прочное место в современной науке.»4
Обнаружение в последние время большой роли космологического вакуума вызвало возрождение повышенного интереса к космологии вообще и к исследованию реликтового излучения в частности. На эти исследования расходуются значительные средства многих стран. При этом прогресс в исследования этого феномена природы происходит быстро и на наших глазах.
Исторически открытие реликтового излучения и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной Вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.
«Хотя работа Пензиаса и Вильсона нанесла сокрушительный удар по теории стационарной Вселенной и обеспечила твердую экспериментальную основу теории Большого Взрыва, в понимании структуры расширяющейся Вселенной существовали огромные пробелы. Например, в модели Вселенной Фридмана для того, чтобы понять, как эволюционирует Вселенная, необходимо знать значение, средней плотности Вселенной. Однако определение ее оказалось довольно проблематичным, когда ученые обнаружили, что Вселенная состоит не только из известных нам атомов и молекул, а еще и из незнакомой новой субстанции, называемой «темным веществом», которая весит в 10 раз больше обычного вещества».5
Вот так, хотя и не сразу, изучение реликтового излучения способствовало открытию новых тайн Вселенной. И, безусловно, то, что дальнейшее изучение микроволнового реликтового излучения приведёт к разгадке ещё не одной такой тайны, в том числе и происхождения всего сущего.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- Нагинер Д. И. Реликтовый фон и его искажения. Учебно-методическое пособие. Спб. 2002.
- М.В.Сажин «Современная космология в популярном изложении». УРСС, Москва 2002
- Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. вузов. Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003.
- Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004.
- Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания: курс лекций.Изд. 4-е. — Ростов н/Д: Феникс, 2005.
- Дж.Ф. Смут - Анизотропия реликтового излучения: открытие и научное значение (Успехи Физических Наук (УФН) Т.177 2007, № 12, Нобелевская лекция по физики - 2006.
- Каку Мичио. Параллельные миры: Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса. Перев. с англ. — М.: ООО Издательство «София», 2008.
- Л.-Х.Цимерманис. Вселенная во Вселенной. Издательство: ЛКИ: 2008
- Материалы электронного ресурса «Знания-сила.народ.ру» (http://znaniya-sila.narod.ru)
- Материалы электронного ресурса «Онлайн
Энциклопедия Кругосвет» (http://www.krugosvet.ru/
taxonomy/term/43) - Материалы электронного ресурса «Российская Астрономическая Сеть» (http://www.astronet.ru)
- Материалы электронного ресурса «ModCos – Современная космология» (http://modcos.com/index.php)
1 Каку Мичио. Параллельные миры: Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса. Перев. с англ. — М.: ООО Издательство «София», 2008.
2 Каку Мичио. Указ соч.
3 Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004
4 Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. вузов. Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003.
5 Каку Мичио. Указ соч.
