Сегодня - 09.03.2021

Мы – продукты горения звёзд

12 апреля 2012

На лекции «Актуальные проблемы астрофизики и физики элементарных частиц», которая прошла в рамках цикла научно-популярных лекций «Академический час», член-корреспондент РАН Александр Евгеньевич Бондарь попытался объяснить старшеклассникам, как в результате Большого взрыва появился наш привычный мир.

Александр Бондарь«Я хочу показать, что предмет, о котором я буду говорить, вполне доступен для людей без профессиональной подготовки, но владеющих школьной программой. Я убеждён, что физика - это та наука, о которой можно рассказывать просто», - начал своё выступление А.Е.Бондарь.

Докладчик пообещал остановиться на основных чертах устройства Вселенной и на том, каким образом возникли те представления о ней, которые сейчас есть: на основе каких знаний, наблюдений и экспериментов.

«Интересно отметить, что физика элементарных частиц самым тесным образом связана с устройством Вселенной в целом. Это современная тенденция в науке: наши знания о микромире напрямую связаны с представлениями о макромире. Вселенная в нашем сегодняшнем понимании -  это всё, что нас окружает и что мы имеем возможность видеть. Наши знания основываются, прежде всего, на наблюдениях: астрономических и астрофизических. Расстояния, которые сегодня доступны инженерному мониторингу с помощью телескопов и других приборов, – это масштаб порядка 10 млрд. световых лет», -  рассказал Александр Евгеньевич.

По словам лектора, второе, что мы знаем о Вселенной, – это то, что она меняется со временем, она не стабильна. К сожалению, время жизни человека ограничено, а сто лет в масштабе времени существования Вселенной – это ничтожно маленький период.

«Даже за время жизни всей человеческой цивилизации (150 тысяч лет) со Вселенной почти ничего не происходило, поэтому нам кажется, что она всегда выглядела так, как сейчас.


На самом деле, мы знаем, что её устройство и вид менялись со временем, потому что 90-80 лет назад астрономы обнаружили, что все объекты во вселенной разбегаются. И чем дальше от нас находится объект - звезда или галактика - тем с большей скоростью он удаляется от нас. Это наблюдение называется законом Хаббла, по фамилии исследователя, который его впервые открыл.


Если Вселенная сейчас расширяется, значит, она, вероятно, делала это и в прошлом. А значит, мысленно обратив этот процесс вспять, мы можем приблизительно себе представить, когда же это расширение началось. Выясняется, что есть начальная точка отсчёта - момент, когда вселенная образовалась, по современным представлениям, это произошло 14 млрд. лет назад. Соответственно, и свойства Вселенной (средняя температура вещества, его плотность и другие параметры) тоже менялись со временем», - объяснил А.Е.Бондарь.


Процесс, в результате которого образовалась Вселенная, называется Большим взрывом. Всё, что вокруг нас – это продукты этого взрыва, в том числе и люди.


«До 300 тысяч лет с момента возникновения Вселенной всё вещество представляло собой ионизованную плазму, то есть не было атомов, а были  отдельно электроны,  протоны и нейтроны. В дальнейшем при расширении температура вещества уменьшалась. Похожий  эффект возникает при адиабатическом расширении газа, когда не происходит обмена энергией со внешней средой. Нейтральное вещество стало появляться на этапе приблизительно 300 тысяч лет с момента взрыва. Дальше образовался нейтральный газ, который под действием гравитации постепенно собирался в сгустки, из которых образовались, по мере охлаждения, звезды, галактики, скопления галактик.  В звёздах вещество превращалось в результате термоядерного синтеза из водорода в более тяжёлые элементы. Как вам должно быть известно, мы состоим, в основном, из воды, а в ней кроме водорода есть кислород. В первоначальном веществе, которое образовалось в результате Большого взрыва, кислорода практически не было, потому что кислород (и другие хорошо известные элементы – углерод, железо и т.д.) - это продукты горения водорода в звёздах. Взорвавшись, они разбросали вновь возникшие вещества в огружающем пространстве, из них впоследствии образовались вторичные звезды, например такие, как наше Солнце, планеты, да  и мы с вами. Так что, как это ни странно, мы продукты горения звёзд», - отметил учёный.  

Теория большого взрыва
     
Александр Евгеньевич заострил внимание на том, что, часто рассуждают так - если был взрыв, значит, где-то есть точка, в которой он произошёл, и, соответственно, это центр Вселенной. Но это представление не применимо для Вселенной в целом, потому что в ней взорвалось всё и сразу.

«Чтобы понять, как это произошло, я предлагаю использовать двумерную модель. Представим себе, что мы двумерные «граждане» и живём на поверхности. Тогда можно представить себе расширяющуюся Вселенную, как поверхность надуваемого шара. А звёзды и галактики - это точки на его поверхности. Мы видим, что для такого двумерного мира будет выполняться закон Хаббла, а центр расширения в таком случае находится вне геометрического пространства двумерного мира, в третьем измерении. Нечто похожее происходит и с нашей вселенной. Можно сказать, что трёхмерное пространство возникло одновременно с большим взрывом и эволюционирует вместе со Вселенной. Поэтому для нас центр гигантского взрыва лежит, условно говоря, в четвёртом геометрическом измерении», - объяснил А.Е.Бондарь.

Александр Бондарь«Важно отметить, что сегодня Вселенная расширяется довольно медленно, её размер удваивается за время порядка 12 млрд. лет. В прошлом Вселенная расширялась гораздо быстрей. Почему сейчас темп заметно меньше? Вещество во Вселенной расширяется по инерции, то есть в первоначальный момент его что-то очень сильно толкнуло, а дальше происходит гравитационное замедление вещества. По эффекту это очень похоже на ситуацию, когда вы кидаете камень вверх и сначала его скорость максимальна, а потом по мере торможения в гравитационном поле земли, движение замедляется, и он летит назад. Значит, в какой-то момент расширение должно остановиться и дальше можно ожидать, что Вселенная начнёт схлопываться? Оказывается, дальнейший сценарий зависит от того, как устроена Вселенная, сколько в ней вещества в настоящей момент и какова его средняя плотность.
 
«Как уже отмечалось, притяжение всех тел во Вселенной друг к другу приводит к тому, что темп расширения должен со временем уменьшаться. Вопрос в том, чем это закончится. Здесь одного Ньютона не достаточно и на сцене появляется Эйнштейн, создавший Общую теорию относительности, уравнения которой могут описать процессы эволюции Вселенной. Сам Эйнштейн предполагал, что Вселенная стационарна, но с открытием закона Хаббла учёные начали думать, какой же она будет в случае нестационарности. И впервые задачу по динамике её расширения решил советский учёный, астрофизик, космолог Александр Фридман. Он показал, что в зависимости от средней плотности вещества во Вселенной могут быть разные варианты  - она расширяется до некоторых пор, а потом начинает схлопываться под действием тяготения, или продолжает расширяться до бесконечности.  Результат зависит только от одного единственного параметра – средней плотности вещества.  Какое же будущее ожидает нашу Вселенную – это уже предмет другой лекции».  

Ангелина Иванова

Фото: 1 - proza.ru, 2, 4 - фото автора, 3 - инфографика РИА Новости
 

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (2 votes)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus