Гравитация и вселенная - Дикке Р.
Скачать (прямая ссылка):
но пропорционально радиусу Вселенной. Многие физики видят в этом парадокс — ведь отсюда следует, что при постоянстве числа фотонов во Вселенной энергия каждого фотона убывает со временем,, будучи обратно пропорциональной радиусу Вселенной. Кажется невероятным, что свободно распространяющиеся и невзаимодействующие фотоны теряют энергию. Такую потерю энергии можно объяснить двумя причинами.
1. Наблюдаемые нами теперь фотоны были испущены в молодой Вселенной очень давно веществом, быстро двигающимся прочь от нас. Такое быстрое движение давало эффект Допплера — сдвиг в красную сторону. Это красное смещение тем сильнее, чем старше Вселенная, так как с 89 III. Космический і?огненный шар» и гравитация
увеличением ее возраста место возникновения фотонов отодвигается от нас, а скорость разбегания вещества тем больше, чем больше это расстояние.
2. Вселенная однородна, а значит, симметрична, и проведенная через нее воображаемая плоскость делит ее на две одинаковые половины. С обеих сторон на такую пло-
P и с. 32. Сконструированный Партриджем и Уилкинсоном прин-стонский радиометр для проверки изотропности излучения. Эта установка действовала в течение года в одном из наименее привлекательных мест земного шара — в пустыне Юма в Аризоне.
скостъ падают одинаковые потоки теплового излучения. Можно сказать, что плоскость в некотором роде подобна идеально отражающему зеркалу — в том смысле, что падающий и «отраженный» потоки равны друг другу. Построим воображаемый ящик из таких воображаемых «идеально отражающих» стенок. При расширении Вселенной увеличивает свой объем и ящик, так что энергия теплового излучения внутри него падает вследствие «работы», совершаемой давлением излучения на «стенки». Можно сказать 90 III. Космический і?огненный шар» и гравитация
еще, что стоячие волны в таком ящике растягиваются при его расширении, так что длина волны должна расти пропорционально радиусу Вселенной.
Можно в общих чертах обрисовать превращение космического «огненного шара» в окружающую"нас теперь Вселенную [15]. Хотя это описание базируется на прочном теоретическом фундаменте, следует иметь в виду, что наблюдательная база весьма скудна, и вся картина может оказаться ложной.
Мы начнем описание с момента, когда космический «огненный шар» имел температуру IO10K. Все атомные ядра при таких условиях были расщеплены на элементарные частицы, и протоны и нейтроны присутствовали примерно в, равных количествах. Имелись также электроны, позитроны и фотоны в количествах, примерно в IO8 раз превышающих число протонов и нейтронов.
По мере расширения Вселенной температура падала, и через 180 с, когда радиус Вселенной возрос в 10 раз, она понизилась до IO9 К, так что протоны и нейтроны могли начать объединяться в дейтроны без риска немедленною термического расщепления. После образования дейтронов смогли протекать и другие ядерные реакции, приводящие к образованию гелия [26]. К вопросу о возможном образовании гелия мы еще вернемся.
При температуре около IO9K по чистой случайности возможно протекание еще одного важного процесса: огромное число позитронов аннигилирует с электронами и дает фотоны. В результате число фотонов увеличивается приблизительно вдвое.
После этого Вселенная, уже содержащая ионизованный водород и, возможно, гелий, продолжала расширяться. Когда она расширилась еще в 2,5.-105 раз, температура упала до 4-IO3 К (это случилось через I-IO5 лет после начала расширения), и в ионизованной плазме электроны начали присоединяться к ядрам, образуя нейтральный газ. Теперь вступает в игру новое обстоятельство: начинают быстро увеличиваться первоначально малые неоднородности плотности газа в пространстве [27]. В результате газ разделился на отдельные облака. Можно оншдать, что размеры этих облаков были практически одинаковыми, а разброс их масс небольшим. Характерная масса облака за- 91 III. Космический і?огненный шар» и гравитация
висит от теперешней плотности материи во Вселенной, которую мы знаем недостаточно хорошо, а также от того, какая теория тяготения верна, но эта масса не зависит от начальных неоднородностей плотности, если они были разбросаны беспорядочно и были очень малы, причем ти-
P и с. 33. Теоретически вычисленная картина распределения плотности в остывающем «огненном шаре» к началу образования газовых облаков. Мы полагаем, что шаровые звездные скопления — это результат дробления на звезды облаков такого типа.
пичный элемент объема содержал менее IO4 масс Солнца (рис. 33).
В ходе дальнейшего расширения Вселенной размеры этих облаков не менялись, но сами облака разбегались во все стороны. В конце концов вследствие их беспорядочного расположения облака собрались в группу по IO2-IO6 штук, связанные гравитационным взаимодействием. Эти группы прекратили расширение и начали сжиматься, что произошло примерно через 200 миллионов лет после стадии «огненного шара».
До катастрофического столкновение облаков друг с другом в некоторых из них газ превратился в звезды; по- 92
III. Космический і?огненный шар» и гравитация
