Химический состав Вселенной составляет по массе ¾ водорода и ¼ гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. Тяжёлые элементы возникли во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звёзды, а при взрывах сверхновых звёзд они оказались выброшены в космическое пространство.
Что может ожидать Вселенную в будущем? Ответ на этот вопрос заключается в установлении средней плотности Вселенной. Современное значение плотности равно 10 -29 г/см 3 , что составляет 10 -5 атомных единиц массы в 1 см 3 . Чтобы представить такую плотность, надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40 тыс.км!
Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности , Вселенная будет только расширяться, если же средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратиться и она начнёт сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию.
Спустя примерно 1 млрд. лет после Большого взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков стали формироваться звёзды и галактики – скопления миллионов звёзд. Любая звезда формируются в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведёт к очень высоким температурам, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т.е. превращение водорода в гелий с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда светится. Гелий впоследствии превращается в углерод.
ЗЕМЛЯ КАК ПЛАНЕТА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Земля – часть Вселенной и наша Солнечная система одна их 100 млд. звезд в звездной Галактике, имеющей возраст около 12 млд. лет. Возраст Солнечной системы, к которой принадлежит Земля около 6 млд. лет.
Планет в солнечной системе девять. К планетам земного типа относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс, к внешним планетам – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Радиус Солнечной системы 5,917 млрд. км (от Земли до Солнца 149, 509 млн. км).
Планеты земного типа относительно плотные, но обладают сравнительно небольшими размерами и массой. Меркурий лишён атмосферы, на остальных планетах этого типа она есть, причём на Марсе атмосфера близка земной.
Внешние планеты имеют огромные размеры и массу, но отличаются сравнительно небольшой плотностью. Атмосферы этих планет состоят, главным образом, из метана и аммиака.
И так Солнце. Его масса 99.87% от массы системы. Крупнейшая из планет Юпитер имеет массу 0,1% от массы системы. Солнце – плазменный шар (водород 90% и гелий 10%) с температурой поверхности около 5600 0 . Все тела Системы связаны с Солнцем силой гравитационного притяжения и поэтому оказывают влияние друг на друга. Громадная масса Солнца и лучистая энергия его оказывает большое влияния на многие геологические процессы как на внутреннее ядро, так и на каменную оболочку Земли.
Вопросы происхождения Солнечной системы и Земли в процессе развития геологической мысли оставались в центре внимания ученых. Согласно воззрениям немецкого философа И.Канта образование звезд и Солнца произошло под воздействием сил притяжения. П.Лаплас развил его теорию, обогатив ее вращательным движением частиц материи в разреженной и раскаленной газообразной туманности. По гипотезе Канта – Лапласа сгустки материи образовали зародыши планет. Постепенно охлаждаясь планеты, как и Земля охлаждалась и деформировалась. Эта достаточно прогрессивная идея с развитием астрономических исследований позднее оказалась неудовлетворительной.
Гипотеза О.Ю.Шмидта предполагала образование планетарной системы путем прохождения Солнца через рой метеоров и космической пыли. Радиоактивный распад, гравитационные, магнитные и другие процессы способствовали консолидации, разогреванию и в дальнейшем охлаждению планет – спутников. Однако и эта теория не объясняла эволюцию планетарной системы, это были «приемыши», а не «дети» Солнца.
А.Г.Иванов
Геология
Конспект лекций
Издательство
Пермского национального исследовательского
политехнического университета
Раздел 1 (мод. 1). ГЕОЛОГИЯ И ЕЕ СВЯЗЬ С ДРУГИМИ НАУКАМИ
Лекция 1. Введение
Вопросы лекции:
1. Связь геологии и литологии с другими науками.
2. Краткая история геологии и литологии.
Геология – наука о Земле (греч. Ge - Земля, logos –учение). В недалёком прошлом, до конца 19 века, геология представляла единую науку о происхождении Земли и её твердых наружных оболочек, их составе, историческом развитии, внутреннем строении и об органическом мире. Громадный интерес к Земле, связанный с необходимостью поисков сырья для бурно развивающейся промышленности, привёл к быстрому росту геологических знаний. В геологии стали обособляться, а затем превратились в самостоятельные науки разделы о составе Земли, её истории, рельефе, органическом мире и другие. Перечислим эти науки.
Литология – наука о составе, структуре, текстуре и происхождении осадочных пород. Современная литология состоит из трёх частей. Первая – охватывает методы и приёмы полевых и лабораторных исследований. Вторая – в объёме петрографии осадочных горных пород изучает минеральный и химический состав, структуру и текстуру пород. Третья часть, седиментологическая, анализирует общий ход и закономерности осадочного процесса.
Геохимия – наука о химическом составе Земли, законах распространенности и распределения в ней химических элементов и их миграция.
Минералогия – наука о минералах, химических соединениях элементов, образующих основу твёрдой оболочки Земли.
Кристаллография – наука о кристаллической форме минералов. Эта наука неразрывно связана с минералогией.
Петрография – наука, которая изучает горные породы, образовавшиеся в геологических процессах внутри Земли.
Геофизика – наука о физических свойствах Земли и веществ, их которых она состоит.
Инженерная геология – отрасль геологии, изучающая физические свойства горных пород в связи с инженерной деятельностью человека.
Геология полезных ископаемых – раздел геологии, изучающий условия образования и закономерности распространения месторождений полезных ископаемых.
Гидрогеология – наука о подземных водах, их качестве, распространении, передвижениях и местах возможной добычи.
Геотектоника – наука о строении, движениях деформациях и развитии твёрдых наружных оболочек Земли в связи с её развитием в целом.
Структурная геология - наука о формах залегания горных работ, причинах их возникновения и истории развития.
Палеонтология – наука, изучающая по ископаемым остаткам животный и растительный мир прошлых геологических эпох.
Все перечисленные геологические науки теснейшим образом связаны с естественными – химией, физикой, биологией и математикой.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ГЕОЛОГИИ
Многовековая история геологии началась вместе с появление человека.
Первые понятия о геологии возникли в глубокой древности, с тех пор когда человек впервые взял в руки камень, сделал первый каменный топор, наконечник к метательному оружию…
Несмотря на то, что геология была вначале своего пути, уже тогда определились направления во взглядах на развитие Земли.
1. Катастрофизм – система взглядов, по которым развитие Земли представляет ряд катастроф. Это извержение вулканов, землетрясения, падение метеоритов, наводнения – всё это главные события, которые меняют облик Земли.
2. Нептунизм – (Нептун – бог моря древних греков) – учение, по которому всё на Земле образовалось из воды.
3. Плутонизм – (Плутон в греческой мифологии – бог подземного царства) - направление во взглядах на развитие Земли, связанное исключительно с её недрами.
Однако временем возникновения геологии как науки принято считать вторую половину 18 века – период зарождения и бурного развития горнодобывающей промышленности.
В России это выразилось в интенсивном накоплении геологических знаний прикладного значения по месторождениям железных и медных руд, серебро-свинцовых месторождений на Урале, Алтае и в Забайкалье, самородной серы на Украине, цветных камней на Урале.
Основоположником обобщения геологических знаний в России стал М. Ломоносов, а в Западной Европе – Д. Геттон и А.Г. Вернер.
М. Ломоносов, обобщая разрозненные знания по минералогии, горному делу, физики и химии природных явлений выдвинул идеи формирования земной поверхности за счёт взаимодействия внутренних и внешних сил, рассчитал мощность земной коры, объяснил происхождение минералов и горных пород.
Наблюдения за палеонтологическими остатками в коллекциях, поступивших с территории Европейской России позволили заложить основы метода актуализма (все явления прошлого протекали так же, как протекают аналогичные явления сейчас) «О слоях земных». В этой работе он заложил основные идеи эволюционной теории, которые позднее были развиты английским учёным Ч. Лайелем. Великий М.Ломоносов своими трудами заложил фундамент геологического учения, на котором в дальнейшем росло здание геологической науки.
Академические исследования впервые выявили первостепенную роль тщательных полевых исследований. Таким образом, был решён в пользу «плутонистов» спор о первопричине геологических процессов. На отрицании идей «катастрофистов» геологи-эволюционоисты на рубеже 18-19 веков подготовили почву для развития исторической и динамической геологии.
Российский академик П.С. Паллас, саксонец А.Г. Вернер, немецкий учёный Л. Бух, англичанин Р.И. Мурчисон в результате сбора и анализа большого количества материала к 1850 году создали предпосылки для возникновения науки геотектоники. Учение о «мобильных» геосинклиналях и «стабильных» платформах развивалось в то время Дж.Холлом, Дж. Дэном, А.П. Карпинским и др.
В это же время в геологии широкое применение находят методы физики, оптики, математики.
Г.Сорби и Г.Розенбуш применили оптический микроскоп для изучения горных пород. Е.С. Фёдоров изобрёл универсальный столик для измерения оптических свойств минералов. Д. Пратт и Дж. Эри положили начало использованию геофизических данных. Они разработали теорию изостазии (1855), согласно которой земная кора почти повсюду находится в гравитационном равновесии.
Успехи геологического картирования во второй половине 19 века создали предпосылки для геологических обобщений по отдельным районам, странам и континентам. В 1875 году была создана международная организация геологов – Международный геологический конгресс (МГК), где на сессиях обсуждались итоги геологического исследования, разрабатывались принципы международного сотрудничества по унификации геологических карт, номенклатуре горных пород, стратиграфических подразделений и др.
В России 1882 году был создан Геологический комитет, планирующий и руководивший геологическими исследованиями на территории России. Возглавлял этот комитет А.П. Карпинский.
С именем И. Мушкетова связаны исследования Средней Азии. В.А. Обручев изучал Центральную Азию и Восточную Сибирь. Значительное место в изучении геохимии, систематизации минералов занимают такие известные учёные, как А.Е. Ферсман и В.И. Вернадский.
Огромное значение в истории геологии нефти и газа имеют работы И.М. Губкина. Им была дана положительная оценка перспектив нефтегазоносности Северного Кавказа, Урало-Поволжья и Западной Сибири.
Международные геологические конгрессы 1937 и 1984 годов в СССР свидетельствуют о росте авторитета Советской геологической науки.
Большую роль в геологических исследованиях сыграли Виноградов, Хаин, Страхов, Шатский и другие учёные.
1. Перечислить основные направления во взглядах на развитие Земли.
2. В каком году была создана международная организация геологов – Международный геологический конгресс (МГК)?
3. В каком году в России был создан Геологический комитет?
Лекция 2. СТРОЕНИЕ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ.
СТРОЕНИЕ НАШЕЙ ГАЛАКТИКИ
Вопросы к лекции:
1. Образование Вселенной.
2. Химический состав Вселенной.
3. Земля как планета солнечной системы.
4. Форма и размер Земли.
5. Строение Земли. Земная поверхность.
6. Методы изучения внутреннего строения Земли.
7. Внешние и внутренние геосферы Земли.
8. Возникновение земной коры.
Объектом изучения геологии является планета Земля. Для изучения её необходимы знания и о других планетах, звёздах, галактиках, так как все они находятся в определённом взаимодействии начиная с момента их появления во Вселенной. Поэтому наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства.
ОБРАЗОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ
Вселенная возникла около 18-20 млрд. лет назад. До этого времени всё её вещество находилось в условиях больших температур и плотностей, которые современная физика не в состоянии описать. Такое состояние вещества называется «сингулярным». Теория расширяющейся Вселенной, или «Большого Взрыва», впервые была создана в России А.А. Фридманом в 1922 году. Суть теории: вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которое в общих чертах можно уподобить взрыву. Вечно возникающий вопрос « А что же было до Большого взрыва», по мнению английского физика С. Хогинса, носит метафизический характер. Предыдущее состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ
Химический состав Вселенной составляет по массе ¾ водорода и ¼ гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. Тяжёлые элементы возникли во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звёзды, а при взрывах сверхновых звёзд они оказались выброшены в космическое пространство.
Что может ожидать Вселенную в будущем? Ответ на этот вопрос заключается в установлении средней плотности Вселенной. Современное значение плотности равно 10 -29 г/см 3 , что составляет 10 -5 атомных единиц массы в 1 см 3 . Чтобы представить такую плотность, надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40 тыс.км!
Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности , Вселенная будет только расширяться, если же средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратиться и она начнёт сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию.
Спустя примерно 1 млрд. лет после Большого взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков стали формироваться звёзды и галактики – скопления миллионов звёзд. Любая звезда формируются в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведёт к очень высоким температурам, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т.е. превращение водорода в гелий с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда светится. Гелий впоследствии превращается в углерод.
ЗЕМЛЯ КАК ПЛАНЕТА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Земля – часть Вселенной и наша Солнечная система одна их 100 млд. звезд в звездной Галактике, имеющей возраст около 12 млд. лет. Возраст Солнечной системы, к которой принадлежит Земля около 6 млд. лет.
Планет в солнечной системе девять. К планетам земного типа относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс, к внешним планетам – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Радиус Солнечной системы 5,917 млрд. км (от Земли до Солнца 149, 509 млн. км).
Планеты земного типа относительно плотные, но обладают сравнительно небольшими размерами и массой. Меркурий лишён атмосферы, на остальных планетах этого типа она есть, причём на Марсе атмосфера близка земной.
Внешние планеты имеют огромные размеры и массу, но отличаются сравнительно небольшой плотностью. Атмосферы этих планет состоят, главным образом, из метана и аммиака.
И так Солнце. Его масса 99.87% от массы системы. Крупнейшая из планет Юпитер имеет массу 0,1% от массы системы. Солнце – плазменный шар (водород 90% и гелий 10%) с температурой поверхности около 5600 0 . Все тела Системы связаны с Солнцем силой гравитационного притяжения и поэтому оказывают влияние друг на друга. Громадная масса Солнца и лучистая энергия его оказывает большое влияния на многие геологические процессы как на внутреннее ядро, так и на каменную оболочку Земли.
Вопросы происхождения Солнечной системы и Земли в процессе развития геологической мысли оставались в центре внимания ученых. Согласно воззрениям немецкого философа И.Канта образование звезд и Солнца произошло под воздействием сил притяжения. П.Лаплас развил его теорию, обогатив ее вращательным движением частиц материи в разреженной и раскаленной газообразной туманности. По гипотезе Канта – Лапласа сгустки материи образовали зародыши планет. Постепенно охлаждаясь планеты, как и Земля охлаждалась и деформировалась. Эта достаточно прогрессивная идея с развитием астрономических исследований позднее оказалась неудовлетворительной.
Химический элемент В почве, % В живых организмах, % кислород 4970 углерод 218 водород 0,59,9 азот 0,10,3 кальций 1,370,3 калий 1,360,3 кремний 330,15 фосфор 0,080,07 магний 0,630,07 сера 0,080,05 железо 3,80,02 алюминий 7,10,02 натрий 0,630,02 хлор 0,01 марганец 0,080,001 титан 0,460,0001 Содержание некоторых химических элементов в почве и живых организмах
Живая и неживая природа состоят из одних и тех же элементов, но эти элементы образуют разные вещества: органические – в живой природе, неорганические – в неживой.. Макроэлементы: О, С, Н, N, Mg, K, Ca, Na, P, S Микроэлементы: Fe, Al, Na, Mn, B, Cl… Элементы живой природы
СО 2 вода кислород глюкоза свет Фотосинтез – это процесс превращения неорганических веществ в органические под действием света в присутствии хлорофилла 6 СО Н 2 О C 6 H 12 O O 2 хлорофилл, свет n C 6 H 12 O 6 (C 6 H 10 O 5) n + n H 2 O ферменты крахмал глюкоза
Функции белков в организме Строительная Входят в состав ядер, цитоплазмы и мембран клеток Транспортная Участвуют в переносе питательных (белки плазмы крови) и газообразных (гемоглобин) веществ Защитная Входят в состав антител, участвуют в иммунном процессе Каталитическая Биологические катализаторы (ферменты) ускоряют химические процессы в организме Двигательная Сократительные белки мышц (актин и миозин) обеспечивают работу мышц Информационная Многие гормоны – белки, переносят информацию от желёз внутренней секреции к органам Энергетическая При расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 к Дж
Функции углеводов в организме Запасающая Запасное питательное вещество организма – гликоген. Энергетическая Основной источник энергии для организма, при расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 к Дж Строительная Входят в состав нуклеиновых кислот, образуют межклеточное вещество соединительной ткани Защитная Взаимодействуют в печени со многими ядовитыми соединениями, переводя их в безвредные и легко растворимые вещества
Функции жиров в организме Строительная Входят в состав клеточных мембран Энергетическая Используются организмом как энергетический запас, при расщеплении 1 г жира выделяется 38,9 к Дж Защитная В соединительно-тканных оболочках выполняют функцию механической защиты организма, в подкожно-жировой клетчатке служат для теплоизоляции Регуляторная Из жиров образуются некоторые гормоны и биологически активные вещества, их производные участвуют в работе синапсов нервной системы
Большинство ученых считают, что возраст Вселенной составляет 14 млрд лет. Также считается доказанной теория Большого взрыва, однако его причины пока описываются только гипотезами. В частности, одна из теорий предполагает, что причиной стали колебания квантов в вакууме, а согласно теории струн причиной взрыва стало воздействие извне. В связи с этим ряд исследователей под вопрос уникальность Вселенной, считая, что их существует несколько или даже бесконечное множество, так как они образуются постоянно.
После Большого взрыва Вселенная прошла этап быстрого расширения. Считается, что в то время привычная нам материя еще не существовала. Она появилась позднее из энергии, возникшей при Большом взрыве. Первые звезды появились не ранее, чем через 500 млн лет после Большого взрыва. Нужно отметить, что процесс расширения Вселенной продолжается до сих пор.
В целом, большинство глобальных процессов Вселенной, например ее расширение, мало повлияет на жизнь на Земле в обозримом будущем.
Состав Вселенной
Как указывают ученые, основной во Вселенной - это , из него она состоит на 75%. Также основные всего окружающего пространства - это гелий, и углерод. Большую часть Вселенной занимает так называемая темная энергия и темная материя, эти субстанции мало изучены, а представления о них в основном абстрактны. Привычное вещество занимает только 5-10%.
Основная форма организации вещества во Вселенной - это звезды и планеты. Они образуют галактики - скопления, в которых небесные тела испытывают взаимное притяжение и влияют друг на друга. Эти системы отличаются по форме, например, Млечный Путь относится к спиральным галактикам.
Галактики объединяются в группы, а те, в свою очередь, в сверхскопления. Солнечная система находится в галактике Млечный Путь, которая, в свою очередь, принадлежит к сверхскоплению Девы. Нужно отметить, что Земля расположена не в центре мироздания, но и не на окраине Вселенной.
Солнце - это относительно небольшая звезда по масштабам Вселенной.
Кроме звезд и планет, во Вселенной существуют и другие объекты, например кометы. Хотя их траектория шире, чем у планет, они все же движутся по своей орбите. Например, комета Галлея пролетает рядом с Солнцем каждые 76 лет. Еще одна известная категория космических объектов - это астероиды. Они имеют меньший размер, чем планеты, а также на них отсутствует атмосфера. Астероиды могут представлять реальный риск для Земли - часть ученых считает, что исчезновение динозавров и другие изменения флоры и фауны того периода могло быть связано со столкновением Земли с этим небесным телом.
Но это первое впечатление неизменности окружающей нас Вселенной в действительности обманчиво: она эволюционирует, и эта эволюция, сравнительно медленная сейчас, на ранних этапах была невообразимо быстрой, так что серьезные качественные изменения состояния Вселенной происходили за доли секунды. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад из некоторого начального "сингулярного" состояния с бесконечно большими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно этой теории Большого Взрыва , дальнейшая эволюция зависит от измеримого экспериментально параметра - средней плотности вещества в современной Вселенной. Если меньше некоторого (известного из теории) критического значения , Вселенная будет расширяться вечно; если же > , то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины еще недостаточно надежны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.
Есть ряд вопросов, на которые теория Большого Взрыва ответить пока не может, однако основные ее положения обоснованы надежными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа - порядка сотой доли секунды от "начала мира". Для теории важно, что эта неопределенность на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.
Закончив на этом общее введение, переходим к более подробному изложению теории Большого Взрыва и порождаемых ею проблем. Основными экспериментальными основаниями данной теории являются следующие три:
Наблюдаемое "разбегание" далеких галактик, подчиняющееся закону Хаббла .
Открытие в 1964 году Р. Пензиасом и А. Вильсоном космического фона "реликтового излучения ", по интенсивности и спектральному составу эквивалентного излучению черного тела с температурой около 3 K (градусы Кельвина).
Наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия с небольшой (порядка одного процента) примесью прочих элементов.
Для описания эволюции после первой сотой доли секунды используются следующие разделы теоретической физики:
равновесная статфизика, главным образом ее основные принципы и теория релятивистского идеального газа;
1. Расширение вселенной
По данным современной наблюдательной астрономии звезды во Вселенной группируются в галактики , которые, в свою очередь, также образуют скопления . Представление о порядках величин дают следующие цифры: наша Галактика содержит ~ 10 11 звезд и имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной ~ 30 тысяч световых лет. Ближайшая к нам галактика M31 в созвездии Андромеды удалена от нас на расстояние порядка 2 миллионов световых лет. Мы находимся на периферии гигантского скопления более тысячи галактик с центром в направлении созвездия Девы, удаленным на расстояние ~ 60 миллионов световых лет. Возможности современной техники позволяют наблюдать достаточно яркие галактики вплоть до расстояний порядка 10 миллиардов световых лет. Данные наблюдений показывают, что в крупных масштабах Вселенная однородна и изотропна. Грубо говоря, это означает, что в любой сфере с фиксированным достаточно большим диаметром (достаточным считается число ~ 300 миллионов световых лет) содержится приблизительно одинаковое число галактик. Утверждение об однородности и изотропности Вселенной в больших масштабах принято называть Космологическим Принципом.
В наблюдаемых спектрах звезд и галактик хорошо различимы спектральные линии поглощения (хромосферами звезд) известных элементов. Это позволяет довольно точно измерять с помощью хорошо известного эффекта Доплера скорость , с которой данный излучающий объект удаляется ( > 0) или приближается ( \rightarrow " длины волны излучающего источника:
где - скорость удаления, - скорость света (знаменатель - поправка в релятивистской теории Эйнштейна, существенная только при , близких к скорости света ). Из видно, что для удаляющегося от нас объекта линии смещаются в красную сторону ( > "), а для приближающегося - в голубую (").
Если бы окружающие нас галактики двигались хаотически, то красные и голубые смещения в их спектрах наблюдались бы с одинаковой вероятностью. Но эксперимент показывает другое: красные смещения преобладают и тем больше, чем дальше от нас находятся изучаемые объекты. Количественным итогом этих наблюдений является сформулированный в 1929 году Хабблом "закон разбегания", согласно которому все галактики (в среднем) удаляются от нас и скорость этого разбегания приблизительно пропорциональна расстоянию до рассматриваемой галактики:
Коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла . Мы указали в принимаемое сейчас большинством астрономов значение: 15 км/с на каждый миллион световых лет расстояния. Здесь следует отметить, что определение величины по данным эксперимента является очень трудной задачей: скорости по эффекту Доплера можно определить достаточно точно, но измерение расстояний до далеких галактик - труднейшая проблема, и до сих пор она решается лишь различными косвенными методами. Сам Хаббл при оценке расстояний занизил их на порядок, поэтому получил на порядок большее, чем в , значение (170 вместо 15). До сих пор часть астрономов считает, что значение заметно больше приведенного в , но большинство принимает цифру 15.
Из закона разбегания , разумеется, не следует, что наша галактика является центром мира, а все прочие удаляются от нее. Согласно Космологическому Принципу наша галактика ничем не выделена, так что точно такую же картину разбегания должен видеть наблюдатель из любой другой галактики. Это значит, что "все разбегаются от всех". Наглядной моделью такого разбегания может послужить надуваемый резиновый шарик с нанесенными хаотически на его поверхность точками - "галактиками": при надувании все эти точки будут удаляться друг от друга в точном соответствии с законом Хаббла . Это модель "двумерного замкнутого мира". Аналогичный "открытый мир" можно представить в виде резиновой плоскости с нанесенными точками, равномерно растягивающейся во всех направлениях.
Из пропорциональности и в законе вытекает фундаментальный вывод относительно существования "начала мира": где-то в прошлом был момент, в который любая из наблюдаемых сейчас галактик была бесконечно близка к нашей, следовательно, "любая к любой" в силу Космологического Принципа. Из-за такого сближения плотность вещества во Вселенной в "начальный момент" становится бесконечной. Но это не означает, что все оно было собрано в одном месте, так как тот же Космологический Принцип требует, чтобы плотность становилась бесконечной в любой точке пространства.
Оценить "возраст Вселенной" можно очень просто, если предположить, что постоянная Хаббла в процессе расширения остается неизменной: тогда миллиардов лет для числа из . На самом деле предположение о неизменности неправильно и точную оценку можно получить только с помощью космологической модели Фридмана (см. далее). К качественным изменениям это не приводит, а для тогда получается 14 миллиардов лет.
2. Реликтовое излучение
Это важнейшее космологическое открытие нашего века, которое было сделано случайно. В 1964 году астрономы Р. Пензиас и А. Вильсон решили измерить фоновое радиоизлучение нашей Галактики в направлениях вне ее плоскости эклиптики. Для этого они решили воспользоваться построенной для связи со спутниками рупорной антенной лаборатории фирмы Белл-Телефон, сконструированной так, чтобы обеспечить сверхнизкий уровень собственных шумов. Последнее очень важно, так как ожидаемое фоновое радиоизлучение галактики также подобно радиошуму, который следовало выделить на фоне других шумов от атмосферы, самой антенны и ее усилительных цепей.
Пензиас и Вильсон не понимали природы этого дополнительного радиошума и даже разобрали, почистили и вновь собрали всю антенну, чтобы исключить добавочные помехи от возможных загрязнений. Но это практически не изменило результат, и им пришлось констатировать, что по непонятным (для них) причинам их антенна принимает дополнительный слабый радиошум внеземного происхождения, интенсивность которого постоянна во времени и не зависит от направления. Измеренная ими на длине волны 7,35 см интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения на данной длине волны абсолютно черного тела с температурой около трех кельвинов. Пензиас и Вильсон наткнулись на этот факт случайно и некоторое время даже не решались опубликовать свои результаты, поскольку не понимали природы обнаруженного ими радиошума (в 1978 году они получили за свое открытие Нобелевскую премию). Но уже в конце сороковых годов появились первые работы физиков-теоретиков, в которых предсказывалось, что в настоящий момент вся Вселенная должна быть заполнена равновесным электромагнитным излучением с эффективной температурой в несколько градусов Кельвина.
Распределение по энергиям такого равновесного излучения (оно же излучение абсолютно черного тела) описывается известной формулой Планка
в которой - энергия в единице объема, приходящаяся на интервал длин волн от до + , - температура в кельвинах K, эрг с - постоянная Планка, эрг/K - постоянная Больцмана, c = 3 см/c - скорость света.
Согласно утверждениям теоретиков, на ранней стадии Вселенная была заполнена равновесным излучением с очень высокой температурой. В процессе расширения Вселенной это излучение охлаждалось, оставаясь равновесным, и к настоящему времени температура опустилась до значений нескольких градусов Кельвина. Именно это "реликтовое излучение", оставшееся от начальной фазы горячей ранней Вселенной, обнаружили Пензиас и Вильсон. Они узнали об этом, вступив в контакт с физиками из Принстонского университета, которые были знакомы с теорией горячей (на ранней стадии) Вселенной и уже строили специальную антенну для обнаружения реликтового излучения. Но Пензиас и Вильсон их опередили.
Наличие реликтового излучения считается в настоящий момент достоверно установленным фактом. Основной проверкой является возможность его измерения на разных длинах волн : интенсивность сигнала должна быть пропорциональной известной из величине с одной и той же для всех температурой . В настоящее время измерения выполнены для десятков различных длин волн как в микроволновой, так и в инфракрасной области спектра электромагнитных волн (согласно распределению максимум интенсивности при = 3 K соответствует = 0,1 см, более короткие волны относятся уже к инфракрасной области). По последним данным, полученным с помощью установленной на спутниках аппаратуры, современное значение температуры реликтового излучения есть 2,74 K. Точность этих измерений уже настолько высока, что она позволила обнаружить наличие слабой анизотропии реликтового излучения, объясняющейся движением земного наблюдателя через заполненное излучением пространство. Вследствие того же эффекта Доплера излучение прямо по направлению движения должно казаться немного более горячим, а в обратном направлении - более холодным. Эти небольшие (порядка 10 -3 от основной величины) вариации температуры были обнаружены экспериментально, и они имеют характерную () угловую зависимость. По этим данным можно вычислить скорость движения Земли относительно этого "нового эфира", образованного фоном реликтового излучения. В итоге получается значение порядка 600 км/с. Помимо этой "кажущейся" анизотропии, в экспериментах обнаружена и настоящая (не связанная с движением Земли) анизотропия реликтового излучения. Она очень мала (порядка 10 -5 от основной величины), поэтому с высокой степенью точности реликтовое излучение можно считать однородным и изотропным. Но сам факт наличия хотя бы очень слабой анизотропии принципиально важен для различных теорий, пытающихся объяснить и описать математически происхождение галактик.
3. СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ
Как уже было сказано, по данным наблюдений Вселенная состоит в основном из водорода (3/4 по массе) и гелия (1/4), прочие элементы составляют примесь порядка одного процента. Эти данные получены по спектрам звезд и межзвездного газа и хорошо согласуются с теоретическими моделями астрофизики, описывающими состав и эволюцию звезд. Приведенные выше цифры 3/4 и 1/4 относятся к начальной фазе этой эволюции, в процессе которой в звездах вырабатываются и другие, в том числе тяжелые, элементы.
По современным представлениям, где-то в первые минуты своего существования Вселенная прошла "эру нуклеосинтеза" (подробнее потом), во время которой и образовались водород и гелий в пропорции 3: 1 плюс ничтожная примесь других легких элементов, в частности лития Li, и изотопов водорода - дейтерия D и трития T. Все прочие более тяжелые элементы образовались уже гораздо позднее внутри звезд, а в межзвездное пространство они попадают при взрывах сверхновых и т.п. Как это ни странно, именно простой факт преобладания водорода во Вселенной позволил теоретикам предсказать необходимость существования реликтового излучения.
Для дальнейшего изложения также важно сопоставить плотность ядерных частиц (протонов и нейтронов) в наблюдаемой Вселенной с плотностью числа фотонов в реликтовом излучении. Согласно теории Планка, равновесное электромагнитное излучение можно рассматривать как некоторый идеальный газ безмассовых частиц - фотонов, имеющих энергию для длины волны . Плотность энергии связана с плотностью числа фотонов очевидным соотношением , так что из определяется и распределение числа фотонов по длинам волн. Интегрируя по всем , получим полное число фотонов в единице объема, аналогичный интеграл от из дает объемную плотность энергии , частное - среднюю энергию одного фотона . Все эти величины зависят только от температуры и мировых констант:
[эрг/см 3 ], [фотонов/см 3 ],
| [эрг/см 3 ], [фотонов/см 3 ], | (4) |
| [эрг], |
где - температура в кельвинах, - известные константы: . Первое из соотношений называется законом Стефана-Больцмана. Из следует, что при современной температуре = 3 K в фоне реликтового излучения содержится 550 миллионов фотонов на 1 кубометр. Оценка плотности вещества по данным наблюдений остается пока неопределенной, но в любом случае не выходит из границ от 6 до 0,03 ядерных частицы на 1 кубометр (критической плотности соответствует число 3). Таким образом, на одну ядерную частицу приходится порядка 10 8 - 10 10 фотонов. В дальнейшем при оценках будем принимать цифру 10 9: один миллиард фотонов на одну ядерную частицу.
Хотя это очень большое число, основная энергия сейчас сосредоточена в веществе, а не в излучении. Энергия одной ядерной частицы равна приблизительно 1000 МэВ (МэВ = 1 миллион электронвольт), тогда как получаемая из средняя энергия одного фотона при = 3 K составляет в тех же единицах (1 эрг = эВ) приблизительно эВ. Эта величина даже после умножения на 10 9 остается на три порядка меньше энергии одной ядерной частицы, так что подавляющая доля плотности энергии приходится сейчас на вещество. Но так было не всегда: на ранней стадии основная доля энергии приходилась на излучение (см. ниже).
Переходя к описанию самого процесса эволюции, выделим мысленно в пространстве произвольную сферу достаточно большого радиуса ("достаточно" для справедливости Космологического Принципа) и будем следить за эволюцией во времени содержащегося внутри данной области излучения и вещества, предполагая их распределение однородным и изотропным. Термин "излучение внутри данной сферы", конечно, условен, поскольку фотоны могут выходить из нее и приходить извне. Но эти два процесса в силу предполагаемой однородности взаимно компенсируют друг друга, так что понятие "количество излучения (энергии) внутри данной сферы" имеет смысл. Согласно закону Хаббла радиус рассматриваемой области растет со скоростью . Поскольку количество вещества внутри сферы остается неизменным, его плотность изменяется по закону . Это относится и к энергетической, и к массовой плотности, так как они связаны простой пропорциональностью .
Рассмотрим теперь энергию реликтового излучения. В настоящий момент Вселенная практически прозрачна для электромагнитных волн (раз мы видим далекие галактики), т.е. сейчас излучение фактически не взаимодействует с веществом и эволюционирует самостоятельно. Его можно рассматривать как релятивистский газ фотонов с некоторой температурой , находящийся внутри сферы радиуса и адиабатически (т.е. без обмена теплом с внешней областью) расширяющийся. Из статистической физики известно, что полная энтропия такого газа пропорциональна - объем сферы) и остается постоянной в процессе расширения. Отсюда следует, что и связаны соотношением = const, т.е. . Это значит, что в тот момент прошлого, когда все галактики были вдвое ближе друг к другу, Вселенная была вдвое горячее и что "очень давно" она была "очень горячей". Термин "температура Вселенной" в данной фазе обозначает температуру реликтового излучения и не имеет отношения к веществу.
Из сказанного выше и первого равенства следует, что энергетические плотности вещества и излучения связаны с и следующими соотношениями: изл , вещ , . Из них следует, что при "движении в прошлое" () величина изл растет быстрее, чем вещ. Поэтому современная "эпоха вещества" ( изл вещ) где-то в прошлом обязательно должна переходить в "эпоху излучения" ( изл вещ) с другой зависимостью от и .
Рассмотрим в общих чертах основные этапы эволюции, двигаясь назад по направлению к "началу мира" и принимая за независимую переменную температуру (впоследствии мы увяжем ее с возрастом Вселенной). С ростом растет средняя энергия фотона , по порядку величины равная . Качественные изменения происходят тогда, когда величина достигает значений порядка энергии связи электронов в атомах и молекулах (~ 1 эВ), затем ядер (~ 1 МэВ), затем - порогов рождения пар частица - античастица, сначала для самых легких элементарных частиц, потом с ростом - все более тяжелых. Поясним подробнее. Элементарные частицы характеризуются своей массой покоя (обычно вместо приводится значение соответствующей энергии в электронвольтах), а также дискретными квантовыми числами: спином (внутренний момент количества движения) и различными зарядами - электрическим, барионным и лептонным. В подходящих единицах спин любой частицы является целым или полуцелым числом, частицы с целым спином являются бозонами, с полуцелым - фермионами. Фотон - частный случай бозона со спином 1 и нулевыми значениями и всех трех зарядов. Если для данного сорта частиц , то их массой можно пренебречь, и тогда для любых бозонных частиц распределение по энергиям будет иметь тот же вид , что и для фотонов, а для фермионов знак минус в знаменателе заменится знаком плюс. Это приведет лишь к незначительному (множители типа 7/8) изменению коэффициентов в формулах , так что различие между бозонами и фермионами несущественно.
Большинство частиц имеет соответствующую пару - античастицу с той же массой и спином и противоположными значениями всех зарядов. Все три заряда сохраняются в любых процессах взаимодействия элементарных частиц. При их столкновениях могут происходить любые взаимопревращения частиц, допустимые по энергии и законам сохранения зарядов. В частности, при столкновении двух фотонов с достаточно высокой энергией могут рождаться различные пары частица - античастица. Такие процессы начинаются, когда величина достигает порогового значения для данного сорта частиц, и становятся весьма интенсивными при . Перечислим наиболее важные элементарные частицы, указывая в скобках их традиционные обозначения, энергию покоя и порядок величины пороговой температуры: электрон и его античастица позитрон ( , = 0,5 МэВ, K), аналогичные пары мю-мезонов ( , МэВ), пи-мезонов (, , E ~ 135 МэВ) с пороговой температурой порядка 10 12 K, наконец, ядерные частицы протон (пара , , = 938,26 МэВ) и нейтрон (пара , , = 939,55 МэВ) с пороговой температурой 10 13 K. Нейтрон немного (на 1,3 МэВ) тяжелее протона, и это важно для эры нуклеосинтеза.
Теперь мы можем проследить эволюцию "назад по времени" при нарастании температуры . Первое качественное изменение происходит при ~ 3000 K, когда достигает величин порядка 1 эВ и излучение начинает разбивать атомы. Вещество тогда превращается в плазму, состоящую из свободных ядер и электронов, ее плотность нарастает ~ при дальнейшем росте . Через какое-то время при порядка 10 4 K такая среда становится уже непрозрачной для излучения: фотоны рассеиваются на свободных электронах и ядрах, и это приводит к установлению общего теплового равновесия между излучением и веществом с общей для всей системы температурой . Следующий важный этап - ~ 10 10 K, когда начинается интенсивное рождение электрон-позитронных пар (порог K) и процессы развала ядер на их составляющие - свободные нейтроны и протоны. Плотность массы в этот период достигает значений порядка 10 5 г/см 3 . Столь высокая плотность увеличивает число взаимных столкновений, и это обеспечивает установление термодинамического равновесия для всех типов присутствующих в системе частиц. До порога рождения пар , и , еще далеко ( пор ~ 10 13 K), поэтому отношение числа протонов к числу нейтронов определяется классической формулой Гиббса