Дата создания
сайта: 20/12/2012 Дата обновления главной страницы:
14.04.2019 09:11
e-mail:
icq:
613603564
поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
код нашей кнопки:
Вселенную нельзя низводить до уровня человеческого разумения., но
следует расширять и развивать человеческое разумение, дабы воспринимать
образ вселенной по мере ее открытя.
Бэкон
Среди различных космологических теорий, предлагавшихся на протяжении
веков, сегодня наибольшее внимание привлекает так называемая теория
"большого взрыва"*, которая была сформулирована к 50-м гг. физиком
русского происхождения Г. Гамовым в трех коротких статьях (почти
заметках), опубликованных в "Physical Review"- одном из наиболее
авторитетных журналов американской физической науки. Популярность этой
теории связана с тем, что некоторые ее предсказания подтвердились
экспериментально: впервые в истории человечества космология смогла стать
наблюдательной наукой, не ограничивающейся одними философскими
рассуждениями, которые невозможно проверить.
Наиболее сенсационным из них нам сейчас представляется предсказание
существования фонового космического, так называемого реликтового
излучения с температурой около 3 К - "ископаемого" остатка "необъятного
первичного света", возникшего на ранних стадиях расширения Вселенной. В
70-е гг. космологи осознали, что сведения, которые можно получить,
анализируя спектр и угловое распределение по небу реликтового излучения,
обладают громадной ценностью. Теперь мы знаем, что открытие американцев
А. Пензиаса (Penzias) и Р. Вильсона (Wilson) на их радиотелескопе по
значению сродни открытиям Галилео Галилея на его рефракторе. Простой
телескоп Галилея позволил человеку бросить первый взгляд в ближний
космос, положив начало исследованиям структур, которые его заселяют:
планет, звезд, галактик; радиотелескоп Пензиаса и Вкльсона можно так же
считать достаточно элементарным прибором - первым из первого поколения
быстро совершенствующихся "изотропометров", который приоткрыл завесу над
совершенно иным универсумом, далеким и древним, где еще не родились
структуры. Этот эмбрион Вселенной заключал в себе генетический код,
определявший историю космоса на протяжении 20 млрд. лет вплоть до нашего
времени. Фоновое космическое излучение позволяет нам составить хоть
какое-то представление, возможно, очень неточное, о том, что происходило
на начальных стадиях развития мира. Это излучение дает нам возможность
заглянуть в историю "первичной" Вселенной, открывает путь для
плодотворных "археологических" исследований: подобно палеонтологу,
который анализирует геологические пласты в поисках характеризующих их
прошлое ископаемых остатков, космолог сегодня выявляет
последовательность пройденных космосом стадий, исследуя спектр и
анизотропию* фонового излучения.
Однако на пути реализации этих фантастических возможностей стоят
огромные технические трудности, возникающие как в теории, так и при
экспериментальных исследованиях. Теория большого взрыва в любом случае
представляет собой всего лишь грубое приближение того, что фактически
происходило в "начале времен". Стремясь создать математическое описание
космоса, максимально адекватное действительности, мы наталкиваемся на
чудовищное препятствие, связанное с решением уравнений гравитации А.
Эйнштейна. Теоретическая космология сегодня напоминает- стремительную
погоню за все более сложными моделями Вселенной. В противоположность
этому прогресс в наблюдениях выглядит безнадежно замедленным, а исчезающе малая анизотропия фонового излучения для ее обнаружения
требует предельно высокой чувствительности.
Мы имеем дело с температурой всего в 3 К, поэтому и искомые эффекты
принципиально другого уровня, чем при высоких температурах. К 1970 г.
чувствительность детекторов, использовавшихся в подобных исследованиях,
достигла сотых долей градуса; к середине 70-х гг. - тысячных; сегодня в
инфракрасном диапазоне мы уже приближаемся к стотысячным долям. Но
оказывается и этого мало: космологи считают, что фоновое излучение
откроет шкатулку своих несравненных сокровищ только тому, кто первым
достигнет порога миллионной доли градуса - всего несколько лет назад
совершенно невероятная величина, однако, по-видимому, реальная для
современных детекторов.
Сложившаяся ситуация не позволяет представить более или менее полно
положение дел в данной области. Мы обрисовали лишь контуры некоторых
основных направлений, по которым ведет поиск новое поколение археологов
космоса.
В 1968 г. один из первых исследователей и
наблюдателей фонового космического излучения профессор Принстонского
университета Д. Вилькинсон (Wilkinson) совершенно справедливо заметил,
что Земля и Солнечная система движутся относительно "первичной"
Вселенной. Следовательно, и при наблюдении фонового излучения можно
ожидать доплеровских эффектов: температура должна несколько
увеличиваться при измерениях в направлении движения и аналогичным
образом уменьшаться, если изменить направление на обратное (дипольная
анизотропия). Эффект оценивается примерно в тысячные доли градуса
Кельвина. Стало быть, распределение фонового излучения по небу неизотропно: оно подчиняется закону тригонометрического косинуса. Другой
космолог Принстонского университета Дж. Пиблс (Peebles) бросил клич:
найти "большой косинус в небе". Вначале идею этих ученых приняли как
простой курьез, считалось, что в лучшем случае она может дать
дополнительное доказательство космологической природы фонового
излучения. Однако вскоре стало ясно, что подобные наблюдения, возможно,
позволят проверить наиболее фундаментальный во всей космологии так
называемый космологический принцип.
Основополагающая идея принципа целиком содержится в первоначальном
значении слова "космос": его перевод с древнегреческого - "порядок".
Иначе говоря, мы считаем, что Вселенная, по крайней мере в больших
масштабах, исключительно "одинакова", или, как говорят
космологи, изотропна и однородна. Она, конечно, неизотропна и
неоднородна в масштабах планетной или даже звездной системы. Более того,
анизотропию и неоднородность мы обнаруживаем в масштабах галактик.
Однако многие космологи считают, что на уровне скоплений галактик или
гипотетических "суперскоплений" изотропия и однородность должны "царствовать" обязательно.
О чем же все-таки идет речь: однородность реальна или это иллюзия,
порожденная трудностями измерений? С теоретической точки зрения значение
космологического принципа огромно: аналитическое решение уравнений
гравитации, полученное в начале века А. А. Фридманом, возможно только в
предположении изотропии и однородности. И дело не только в этом.
Космологический принцип предполагает определенную "регулярность", что
позволяет ввести универсальное время: течение времени б нашей Галактике
может быть синхронизировано с показаниями часов наблюдателя в любой
другой галактике, находящейся на любом расстоянии от нас. Если же
космологический принцип не верен и скопления галактик движутся в
пространстве беспорядочно, релятивистские эффекты нарушают временные
связи и универсального времени больше не существует. В этом случае
вообще нельзя написать "историю" космоса, поскольку наша "хронология"
становится чисто иллюзорной и имеет смысл лишь в нашем "временном
районе". С точкй зрения философской и эстетической идея Вселенной,
стремящейся к хаосу и временному беспорядку, должна ужасать нас.
Существование фонового космического излучения дает возможность
непосредственно проверить космологический принцип. Для пояснения
прибегнем к аналогии: галактики можно сравнить с островами, которые,
континентальный дрейф отделил от материка в далеком прошлом Земли.
Галактики оторвались от "магмы" первичного континента Вселенной в
далекую эпоху ее большой плотности. Скорость Земли должна быть одной и
той же относительно и галактик, и "первичной" Вселенной в том смысле,
как скорость корабля одинакова относительно острова Сицилия и
полуострова Калабрия на материке. Вообще говоря, космологический принцип
предполагает идеальную непрерывную преемственность между "первичной"
материей, сконцентрированной в необъятном "первородном солнце" (оно-то и
было источником фонового излучения), и структурами, которые "соблюдают и
гарантируют" сегодняшнюю "одинаковость" космоса. Совпадение скорости
Земли относительно двух точек отсчета есть доказательство действенности
космологического принципа.
Начиная с 1978 г. дипольная анизотропия изучалась тремя
исследовательскими группами. Первая из них - группа Д. Вилькинсона -
проводила измерения в радиодиапазоне, группа Дж. Смута (Smoot,
Калифорнийский университет в Беркли) наблюдала волны той же длины и,
наконец, группа Ф. Мелькиорри работала в инфракрасной области спектра.
Отличное совпадение экспериментальных результатов убеждает в их
достоверности. Неожиданным в результатах было то, что Земля, а
следовательно, и наша Галактика, движется относительно "первичной"
Вселенной со скоростью, существенно отличной от наблюдаемой при
исследованиях скоплений галактик.
Удивление космологов было велико. И это понятно. Представьте себе, что
капитан корабля вдруг обнаружил, что скорости его судна относительно
материка и острова различны. Если измерения точны, то из них логически
вытекает, что острова, т. е. тысячи галактик, включающих значительную
долю всей наблюдаемой Вселенной, движутся, путешествуют ныне с большей
скоростью относительно "первичной" Вселенной. Как могла повыситься эта
скорость после того, как галактики мягко "отчалили" от "первичной"
Вселенной "в начале времен"? Какая чудовищная сила могла быть причиной
этого движения? Мы пришли к следующей гипотезе: на огромном расстоянии
от нас, вне пределов видимости наших самых мощных телескопов, существует
громадный сгусток материи, который притягивает к себе (гравитационно)
нашу Галактику и ее соседок.
Если это так, то "одинаковость" космоса оказывается расчлененной, а
космологический принцип нарушенным. Создается впечатление, что и другие
недавние наблюдения заставляют нас принять этот вывод. При исследованиях
распределения по небу рентгеновского излучения как будто бы
обнаруживается приливной эффект у квазаров, связанный с огромной
неоднородностью8".
Если Вселенная неоднородна в настоящее время, то таковой она должна была
быть и в прошлом, а признаки ее минувшего "уродства" должны были быть "сфотографированы" фоновым излучением. Эти удивительные результаты охоты
за дипольной анизотропией заставили нас, естественно, искать новые типы
анизотропии, для того чтобы еще раз попытаться построить модель,
адекватную Вселенной, сегодняшние нерегулярности которой есть по сути
дела плод древнего семени, проросшего 20 млрд. лет назад.
Простейшую модель анизотропной Вселенной можно
представить, так сказать, в форме тыквы: по одному направлению
расширение идет более быстро, чем по другим. Вдоль этого направления
фоновое излучение должно быть существенно более "холодным". Итак, данная
анизотропия (ее называют квадрупольной), характеризуется углом в 90°,
тогда как у дипольной анизотропии он равен 180°.
В теоретической космологии существует поразительный результат:
оказывается, что многие анизотропные модели Вселенной, в том числе и
гораздо более сложные, чем упоминавшаяся "тыквенная", в конце концов
сводятся к квадрупольной анизотропии. Так, Вселенная, обладающая
какой-либо одной неоднородностью и однородная во всех других отношениях,
имеет анизотропию, очень схожую с квадрупольной. Короче, квадрупольная
анизотропия - первый признак "первородного уродства" Вселенной.
Таким образом, в конце 70-х гг. к охоте за "большим косинусом"
добавилась охота за ква-друпольным эффектом - самым страшным из всех
врагов космологического принципа начиная со времени, когда греки
постулировали единство мира.
Наибольшая трудность при подобных измерениях связана с присутствием
нашей Галактики. Если мы посмотрим на небо в безлунную ночь, мы увидим
Млечный путь - проекцию плоскости нашей Галактики. Повернувшись вокруг
себя на 180°, наш взгляд снова встретит Млечный путь, идущий через все
небо от горизонта до горизонта. В радио- или инфракрасных детекторах,
используемых для исследования фонового излучения, сигналы Галактики
вполне достоверно имитируют квадрупольнуюанизотропию. Кстати, этим
объясняется частое появление в последнее десятилетие псевдооткрытий и их
последующих опровержений. В 1980 г. группы Ф. Мелькиорри и Д.
Вилькинсона заявили, что им удалось пронаблюдать квадрупольные эффекты.
Наиболее сильная сторона проведенных измерений - согласованность
полученных данных по направлению и величине. Тем не менее, помня об
эффектах, связанных с нашей Галактикой, при интерпретации результатов
необходимо проявить максимальную осторожность. Если эти результаты
подтвердят другие исследователи, то небольшой фрагмент неизвестной нам
мозаики займет подобающее ему место. В итоге мы сможем отделить
"местную" дипольную анизотропию (свидетельствующую о движении нашей
Галактики относительно далеких галактик) от космологической
(непосредственно связанной с "первородным уродством", на которое нам
указывают квадрупольные эффекты).
Что же произошло после того, как "первородный
огненный шар" расширился и охладился, "первичный огонь" погас и
Вселенная превратилась в необъятное облако нейтрального водорода?
Вероятно, бурные процессы сжатия материи (коллапс), результатом которых
было формирование локальных структур, снова разогрели газ до температуры
ионизации. Сегодня мы наблюдаем громадные количества ионизованного газа
в скоплениях галактик. Когда произошел этот разогрев, с какой
интенсивностью и как долго протекали эти процессы, сказать трудно. Но
если все происходило достаточно бурно, то облако горячего газа должно
было полностью заслонить от нашего взгляда "первичную" Вселенную. В этом
случае фоновое космическое излучение было бы перехвачено на своем пути,
и, стало быть, картина, которую оно нам рисует сейчас, есть "запутанная"
сумма древних историй и более поздних событий из эпохи повторной
ионизации. Подобно лаве вулкана повторная ионизация "расплавила" и
смешала различные временные слои космоса. В надежде получить истинное "археологическое" послание мы можем уповать лишь на огромность
расстояний, отделяющих нас от той эпохи, и на "беспредельный" простор
нашего горизонта. Здесь мы соприкасаемся с каверзной проблемой "парадокса горизонтов".
Повторная ионизация, даже распространяясь со скоростью света, за
ограниченное время, бывшее в ее распоряжении, не могла покрыть громадных
расстояний в пространстве, которое охватывают сегодня наши телескопы.
Возвращаясь к аналогии с лавой, представим себе извержение группы
вулканов, стоящих достаточно далеко друг от друга: лава, выливаясь,
выравнивает их склоны, но не успевает дойти до другого ближайшего
вулкана. В результате меняется местная география, но общая структура
остается прежней. Мы вправе надеяться, что анизотропия фонового
излучения в каких-либо масштабах осталась неизменной.
Сегодня космологи пытаются определить хотя бы порядок этих масштабов с
точностью до нескольких градусов на небесной сфере. Конкретное значение
этих величин зависит от интенсивности и длительности повторной
ионизации. Следовательно, для различных угловых масштабов различен и
характерный спектр анизотропии. Поиск критического спектра - актуальная
и животрепещущая задача космологии. Когда задумываешься над тем, что
описание промежуточной истории Вселенной - ее Средневековья (именно
тогда образовались ее структуры) отдано на откуп фантазии космологов,
понимаешь значение измерений, которые призваны количественно описать эту
критическую величину. Сегодня в наибольшей степени приблизилась к ответу
группа Ф. Мелькиорри, прежде всего благодаря измерениям анизотропии в
интервале 6° на небесной сфере с точностью в одну стотысячную долю
градуса Кельвина. Эти измерения находятся
Радионзотропометр, использовавшийся группой
Калифорнийского университета для измерения крупномасштабной анизотропии
фонового космического излученю Слева - две антенны, расположенные под
углом 60 ° относительно друг друга; справа - Дж. Смут готовит аппаратуру
к полету
на пределе возможностей современных детекторов.
Чтобы дать представление о трудностях, возникающих при подобного рода
наблюдениях, достаточно привести простой пример: исследовавшиеся сигналы
имеют тот же порядок, что и естественное тепловое излучение мыши,
находящейся в 50 км от детектора!
И в этом случае необходима максимальная осторожность при истолковании
результатов; полностью уверенным в их истинности можно быть только после
их подтверждения другими исследовательскими группами. Наши измерения,
требующие подтверждения, указывают на то, что в угловом масштабе 6°
повторной ионизации не удалось ликвидировать первичную анизотропию.
Кроме того, они позволяют нам надеяться на то, что мы найдем
значительную часть изначального спектра, возникшего в ту давнюю эпоху.
От подобных измерений зависят судьбы космологических теорий; эти
измерения определят и наши возможности по наблюдению начальных стадий
жизни космоса.
Свет, отраженный от поверхности, всегда поляризован.
Подтверждение этому мы находим даже в повседневном опыте, когда
пользуемся пол яроидными очками. В них раздражающее воздействие
солнечных лучей устраняется путем использования эффектов поляризации.
Медленно вращая
Эксперимент итальянской группы по измерению
дипольной анизотропии фонового космического излучения: подготовка зонда
и его полет
очки, мы дважды за оборот увидим исчезновение и
появление отраженного света. В этом эксперименте мы фактически
определяем плоскость колебаний поляризованного света.
Фоновое космическое излучение, отражаясь от "первичного" вещества,
должно было бы стать также поляризованным. Но если изотропия "безукоризненна", то излучение приходит со всех направлений и имеет
всевозможные плоскости поляризации. Аналогичные эффекты наблюдаются и
тогда, когда мы имеем дело с бесчисленным количеством солнц,
разбросанных по всему небу: рассеяние происходит под всевозможными
углами и, как и в случае с Солнцем (его свет неполяризован), поляризация
исчезает.
В анизотропной же модели поляризация сохраняется, более того, измерить
анизотропию
по поляризационным эффектам, возможно, гораздо проще, чем
непосредственно по температуре, поскольку в земной атмосфере и, вообще
говоря, в нашей Галактике поляризованное излучение не возникает.
После ряда начальных попыток, которые предъявили к ученым достаточно
высокие требования, инициатива в этих исследованиях принадлежит двум
итальянским группам - Ф. Мель-киорри в Риме и С. Фонти (Fonti) в Лечче.
На этом пути мы получаем уникальную возможность впервые обнаружить
магнитный фон Вселенной. Его существование предсказывают некоторые
космологические теории, первую из которых предложил сам Эйнштейн.
Магнитный фон, если он существует, должен был возникнуть на начальных
стадиях расширения Вселенной; он должен ориентировать спины всех частиц
и вводить такую их "закрутку", которая останавливала бы коллапс самой
Вселенной. Вот тут-то и могли бы осуществиться обманчивые мечты
космологов о некоей пульсирующей Вселенной, не имеющей изначальных
особенностей.
Магнитное поле воздействует на плоскость поляризации света, поворачивая
ее по-разному у волн различной длины. Свет далеких квазаров помог нам
определить верхний предел величины поля- 10"9Гс. Фоновое же излучение
прошло гораздо больший путь, и поэтому оно может продвинуть наши
исследования гораздо дальше. В итальянском эксперименте могут быть
измерены в 100 раз более слабые магнитные поля.
Обнаружение магнитного фона могло бы вызвать в космологии революцию,
подобную той, которая произошла в результате открытия фонового
излучения.
Нам остается сказать, что выводов нет: исследования начаты и поле
исследований огромно. Это начало новой "эры галилеевой". Как вначале
Галилей, а вслед за ним Кассини долгое время обсуждали проблему колец
Сатурна, разрешение которых было не по силам их приборам, так и мы
сегодня спорим о квадрупольной анизотропии, не поддающейся нашим
датчикам. Возможно, через несколько лет она станет частью научного
багажа космолога, такой же, как сегодня кольца Сатурна для планетолога.
Может быть, даже в недалеком будущем вместо одного слова "анизотропия" у
нас будет целая карта "первичной" Вселенной, и нам придется придумывать
названия для новых созвездий, которые образовались из протоструктур,
породивших нашу Вселенную.
Франческо МЕЛЬКИОРРИ (Melchiorri)
(p. 1940) - итальянский астрофизик и космолог, профессор,
сотрудник Института физики имени Г. Маркони Римского
университета. В 1963 окончил Римский университет. Затем работал
в университете в Бари. В 1968 защитил докторскую диссертацию по
физике (университет во Флоренции).
В 1970 Ф. Мелькиорри с небольшой группой специалистов, в которую
входила Б. Оливо-Мелькиор-ри, приступил во Флоренции к
исследованию фонового космического излучения. Группе, в
частности, удалось оценить верхний предел интенсивности этого
излучения в миллиметровом диапазоне и показать, что оно
планковского характера. Были проведены исследования анизотропии
фонового космического излучения в различных угловых масштабах, а
также его поляризации. В 1979 группа объявила об открытии
дипольной анизотропии. В 1980 результат был подтвержден другими
исследователями.
С 1980 Ф. Мелькиорри руководит кафедрой общей физики и группой
по наблюдательной космологии Римского университета. Автор более
70 научных работ.
Бьянка ОЛИВО-МЕЛЬКИОРРИ (Olivo - Melchiorri) (p.
1940) - итальянский астрофизик и космолог, сотрудница Института
физики во Флоренции и Института физики атмосферы Национального
исследовательского центра, член Итальянского физического и
Итальянского астрономического обществ.
В 1964 окончила Римский университет. Затем работала в
университете в Бари. С 1968 в университете во Флоренции
занималась инфракрасной астрономией. Участвовала в баллонных
экспериментах по исследованию фонового космического излучения. В
настоящее время работает в Римском университете в группе по
наблюдательной космологии. Она участвует в разработке проекта
3-метрового баллонного телескопа.
Автор более 50 научных работ.
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
