Проблемы мироздания: Закон всемирного тяготения и разбегание галактик

                     Министерство Образования Республики  Беларусь

                Белорусский Национальный Технический  Университет

 

 

 

 

 

 

Проблемы мироздания: Закон  всемирного тяготения и разбегание галактик

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили:

Пригожаев Е.В.

Крукович Д.С.

Проверил:

Костюкович П.Н.

 

 

 

 

 

Минск 2013 

Оглавление

Вступление 3

Э́двин Па́уэлл Хаббл 3

Вселенная простирается дальше нашей галактики Млечного Пути 4

Красное смещение увеличивается с расстоянием 5

Нобелевская премия 7

История открытия 7

Теоретическая интерпретация 8

Оценка постоянной Хаббла и её физический смысл 9

Возможная нелинейность закона 10

Красное смещение в спектре галактик. 10

Исаа́к Нью́тон 11

Классическая теория тяготения Ньютона 12

Свойства ньютоновского тяготения 12

Исторический очерк 13

Расширение Вселенной 14

Расширение Вселенной в различных моделях 14

Ускорение расширения Вселенной 15

Есть ли галактики, приближающиеся к нам? 16

Большой взрыв 17

Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной 17

Проблема начальной сингулярности 18

Дальнейшая эволюция Вселенной 19

Тёмная энергия 19

Открытие тёмной энергии 20

Сверхновые звёзды и ускоряющаяся Вселенная 20

Тёмная энергия и скрытая масса 21

Природа тёмной энергии 21

Космологическая постоянная 22

Квинтэссенция 23

Тёмная материя 24

Данные наблюдений 25

Барионная тёмная материя 26

Заключение 26

Вступление

Все мы хоть раз слышали  о Хаббле, даже если не знакомы с  его открытиями и достижениями, то слышали о телескопе Хаббл, способного заглянуть в самые дальние  уголки Вселенной, подарившей нам множество  изображений галактик, туманностей, сверхновый итд. А кто не знаком с законом всемирного тяготения Ньютона, ещё со школы мы знакомимся с его законами и открытиями, а после используем их во многих сферах. Но что объединяет этих 2-ух людей, разделённых столетиями. Это закон Хаббла и закон всемирного тяготения Ньютона. Оба закона были представлены миру и успешно доказаны. Принимая во внимание оба этих закона на макро уровне вселенной конфликтуют друг с другом. Давайте разберёмся почему и как.

Э́двин Па́уэлл Хаббл

Э́двин Па́уэлл Хаббл (англ. Edwin Powell Hubble, 20 ноября 1889) — американский астроном. В 1914—1917 годах работал в Йеркской обсерватории, с 1919 года — в обсерватории Маунт-Вилсон. Член Национальной академии наук в Вашингтоне с 1927 года.

Основательно изменил  понимание Вселенной, подтвердив существование  других галактик, а не только нашей (Млечный Путь). Также рассматривал идею о том, что величина эффекта  Допплера (в данном случае называемом «Красное смещение»), наблюдаемого в световом спектре удалённых галактик, возрастает пропорционально расстоянию до той или иной галактики от Земли. Эта пропорциональная зависимость стала известна как Закон Хаббла (на два года ранее это же открытие сделал бельгийский учёный Жорж Леметр). Интерпретация Красного смещения как Допплеровского эффекта была ранее предложена американским астрономом Весто Слайфером, чьими данными пользовался Эдвин Хаббл. Однако Эдвин Хаббл всё же сомневался в интерпретации этих данных, что привело к созданию теории Метрического расширения пространства (Metric expansion of space, Расширение Вселенной), состоящего в почти однородном и изотропном расширении космического пространства в масштабах всей Вселенной.

Основные труды Эдвина Хаббла посвящены изучению галактик. В 1922 году предложил подразделить наблюдаемые  туманности на внегалактические (галактики) и галактические (газопылевые). В 1924—1926 годах обнаружил на фотографиях некоторых ближайших галактик звёзды, из которых они состоят, чем доказал, что они представляют собой звёздные системы, подобные нашей Галактике (Млечный Путь). В 1929 году обнаружил зависимость между красным смещением галактик и расстоянием до них (Закон Хаббла). В 1935 году открыл астероид № 1373, названный им «Цинцинатти» (1373 Цинцинатти).

В честь Хаббла назван астероид № 2069, открытый в 1955 году (2069 Хаббл), а  также знаменитый космический телескоп «Хаббл», выведенный на орбиту в 1990 году.

Эдвин Хаббл родился в  семье страхового управляющего Джона  Пауэлла Хаббла и Вирджинии Лии  Джеймс, в городе Маршфилд, штат Миссури. В 1900 году они переехали в город Уитон, штат Иллинойс. В ранние годы, Эдвин Хаббл был более известен своими атлетическими заслугами, чем интеллектуальными, хотя и получал вполне хорошие оценки по всем предметам в школе, за исключением пожалуй грамматики. Эдвин Хаббл учился в Чикагском университете, где сконцентрировался на математике, астрономии, философии, что дало ему степень бакалавра в 1910 году. Три года он проучился в Королевском колледже (The Queen’s College) — одном из составных колледжей при Оксфордском университете в Англии, куда был принят после получения степени бакалавра и став одним из первых обладателей Стипендии Родса Оксфордского университета. В колледже Эдвин первоначально изучал юриспруденцию вместо науки (которую он пообещал изучать своему умирающему отцу), а затем добавил изучение литературы и Испанского языка, что дало ему возможность получить академическую степень магистра. Некоторые его приобретённые британские манеры и стиль одежды остались с ним на всю жизнь, иногда раздражая американских коллег.

Вселенная простирается дальше нашей галактики Млечного Пути

Прибытие Эдвина Хаббла в  Маунт-Вилсон, штат Калифорния, в 1919 году примерно совпало с завершением работ по созданию 100-дюймового (≈2.5 метрового) телескопа Хукера, на ту пору самого крупного телескопа в мире. В те времена превалирующим научным видением Вселенной было её представление как целиком и полностью состоящей только из единственной галактики Млечного Пути. Используя телескоп Хукера в Маунт-Вилсон, Эдвин Хаббл идентифицировал цефеиды (класс пульсирующих переменных звёзд) в нескольких спиральных туманностях, включая Туманность Андромеды и Треугольник. Его наблюдения, сделанные в 1922—1923 годах, убедительно подтвердили, что эти туманности были слишком далеки, чтобы быть частью Млечного Пути, и являлись в действительности отдельными галактиками за пределами нашей собственной. Эта идея была оспорена очень многими учёными в астрономических кругах того времени, в частности, Харлоу Шепли. Но вопреки оппозиции, Эдвин Хаббл, на ту пору 35-летний учёный, представил свои открытия в печатном виде на собрании Американского астрономического сообщества 1 января 1925 года. Эти открытия фундаментальным образом изменили научное видение Вселенной.

Эдвин Хаббл также продумал наиболее используемую ныне Морфологическую  систему классификации галактик, сгруппировав их в соответствии с  их изображениями на фотоснимках. Он расположил разные группы галактик в  последовательность, которая теперь известна как Последовательность Хаббла. Все внегалактические туманности Хаббл подразделил на три типа: эллиптические – E, спиральные – S и иррегулярные, неправильные, - Irr.

Красное смещение увеличивается  с расстоянием

Комбинируя свои собственные  измерения расстояний до галактик, основанные на соотношении период-светимость для цефеид, полученные Генриеттой Суон Ливитт, с измерениями Красного смещения для галактик, полученные Весто Слайфером и Милтоном Хьюмасоном, Эдвин Хаббл обнаружил прямую зависимость (пропорциональность) величин Красного смещения объектов и расстояний до них. Хотя и был значительный разброс значений (ныне известный по причине пекулярной скорости), Эдвин Хаббл всё же смог определить основную тенденцию 46 галактик и получить значение Постоянной Хаббла, равной 500 км/c/Мпк, которое значительно выше ныне принятого значения по причине ошибок калибровки расстояний до них. В 1929 году, Эдвин Хаббл сформулировал эмпирический Закон Красного смещения для галактик, ныне известный просто как Закон Хаббла, который, если интерпретировать красное смещение как меру скорости удаления, согласуется с решениями Эйнштейновских уравнений общей теории относительности для гомогенных изотропных расширяющихся пространств. Хотя основные концепции, лежащие в основе теории расширяющейся Вселенной были хорошо известны и понятны и ранее, это утверждение, сделанное Эдвином Хабблом и Милтоном Хьюмасоном, привело к гораздо большему и широкому признанию этой точки зрения, которая утверждает, что чем больше расстояние между какими-либо двумя галактиками, тем выше скорость их взаимного удаления (то есть тем быстрее они разлетаются друг от друга).

Это наблюдение было первым наглядным подтверждением теории Большого Взрыва, которая была предложена Жоржем Леметром в 1927 году. Наблюдаемые скорости далёких галактик, взятые вместе с космологическим принципом, показали, что Вселенная расширяется таким образом, который согласуется с моделью Фридмана — Леметра, построенной на основе Общей теории относительности. В 1931 году, Эдвин Хаббл написал письмо датскому космологу Виллему де Ситтеру, в котором высказал своё мнение по поводу теоретической интерпретации соотношения «Красное смещение — Расстояние»: Хьюмасон и я глубоко признательны Вам за Ваше щедрое признание нашей работы о скоростях и расстояниях галактик. Мы используем выражение «видимые» скорости, чтобы подчеркнуть эмпирический характер их связи. Интерпретация, как мы полагаем, следует предоставить Вам и тем очень немногим, кто компетентны обсуждать этот вопрос. 

В наше время, «действительные  скорости» понимаются как результат  увеличения интервала, которое происходит в из-за расширения пространства. Свет, летящий сквозь расширяющееся пространство, будет испытывать красное смещение Хаббловского типа — совершенно иное явление, отличное от эффекта Допплера (хотя оба явления стали эквивалентными описаниями, сходными при преобразовании систем координат для ближних галактик).

В 1930 году, Эдвин Хаббл  участвовал в определении распределения  галактик в пространстве и его  искривлённости. Те данные, казалось, свидетельствовали  о том что Вселенная плоская  и гомогенная, но всё же было заметное отклонение от плоского типа в случаях  с большой величиной Красного смещения. Согласно Аллану Сэндиджу: Хаббл верил, что его расчётные данные дали более правдоподобные результаты насчёт искривлённости пространства, если поправка Красного смещения была сделана с допущением об отсутствии затухания. До самого конца в своих записях он придерживался именно этой позиции, приветствуя (или, по крайней мере, относясь дружественно) модель, где не существует реального расширения, а следовательно, что красное смещение «представляет собой пока ещё непознанные принципы мироздания». 

С Хаббловской методикой исследований были методологические проблемы, которые показали отклонения от плоского типа в случаях с большой величиной Красного смещения. В частности, методика не учитывала изменения светимости галактик, связанные с эволюцией галактик. Ранее, в 1917 году, Альберт Эйнштейн обнаружил, что его только что разработанная Общая теория относительности указывает на то, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Будучи не в состоянии поверить в то, что его собственные уравнения говорили ему, Альберт Эйнштейн ввёл в свои уравнения «космологическую постоянную» (которая, по сути, являлась искусственно введенным «фактором подгонки» данных под правильный и/или объяснимый ответ), чтобы избежать возникшую «проблему» с расширением/сжатием. Когда Альберт Эйнштейн узнал про открытия Эдвина Хаббла, он сказал, что изменения, которые он внёс в свои уравнения, были «самой большой ошибкой (самым грубым просчётом) в его жизни».

Нобелевская премия

Эдвин Хаббл потратил большую  часть последних лет своей  карьеры пытаясь сделать астрономию частью (подразделом) физики, вместо того чтоб рассматривать её как отдельностоящую науку. Он делал это в основном с тем, чтобы астрономы, включая его самого, могли быть восприняты Нобелевским комитетом за свой весомый вклад в астрофизику. Эта кампания не увенчалась успехом во времена жизни Эдвина Хаббла, но вскоре после его смерти Нобелевский комитет решил, что работы в области астрономии будут подпадать под критерии вручения Нобелевских премий по физике (однако, премия не может присуждаться посмертно).

История открытия

В 1913—1914 годах американский астроном Весто Слайфер установил, что Туманность Андромеды и ещё более десятка небесных объектов движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями (порядка 1000 км/сек). Это означало, что все они находится за пределами Галактики (ранее многие астрономы полагали, что туманности представляют собой формирующиеся в нашей Галактике планетные системы). Другой важный результат: все исследованные Слайфером туманности, кроме 3, удалялись от Солнечной системы. В 1917—1922 годах Слайфер получил дополнительные данные, подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей направлена прочь от Солнца. Артур Эддингтон на основе обсуждавшихся в те годы космологических моделей Общей теории относительности предположил, что этот факт отражает общий природный закон: Вселенная расширяется, и чем дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная скорость.

Вид закона для расширения Вселенной был установлен экспериментально для галактик бельгийским учёным Жоржем Леметром в 1927, а позже — знаменитым Э. Хабблом в 1929 с помощью 100-дюймового телескопа, который разрешает ближайшие галактики на звезды. Среди них были цефеиды, используя зависимость «период-светимость» которых, Хаббл измерил расстояние до них, а также красное смещение галактик, позволяющее определить их радиальную скорость.

Полученный Хабблом коэффициент  пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек. Современное  значение составляет 73,8 ± 2,4 км/с на мегапарсек. Столь существенную разницу  обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пункта зависимости «период-светимость»  на поглощение (которое тогда ещё  не было открыто) и существенный вклад  собственных скоростей в общую  скорость для местной группы галактик.

Теоретическая интерпретация

С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в  результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили бо́льшие скорости, соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.