"Kuidas universum töötab." Raamatu peatükk

Halloween

Valgustaja auhind

Zimini sihtasutus

"Kuidas universum töötab"

Kosmoloogia kui teadus on vaid sada aastat vana, kuid teab juba palju sellest, kuidas meie universum toimib – kuidas tekkis kõik, mis meid ümbritseb, aatomitest galaktikateni, kus ja millal toimus Suur Pauk, mida tähendab galaktikate majanduslangus. ja milline on universumi tulevik. S.L.-i raamat räägib sellest teadusest ja selle saavutustest. Parnovsky “Kuidas universum töötab: sissejuhatus kaasaegsesse kosmoloogiasse” (“Alpina non-fiction”), mis kuulus 2018. aasta valgustusaja auhinna pikasse nimekirja. Pakume oma lugejatele N+1 tutvuge killukesega sellest.


Suur pauk

Niisiis, 1930. aastateks. Sai selgeks, et universum paisub, mis väljendub selgelt galaktikate majanduslanguses. Kuid vastus küsimusele, kas universumil oli algus, mida nimetatakse ka Suureks Pauguks, ei olnud nii ilmne, kui esmapilgul tundub. Suure Paugu kontseptsiooni pakkus välja Lemaitre 1931. aastal ja termini enda võttis kasutusele Fred Hoyle 1949. aastal. (Fred Hoyle oli idee, et universumil on algus, vastane ja mõiste "Suur Pauk" oli algselt kasutatakse halvustavas kontekstis.)

Fakt on see, et Hubble'i konstandi väärtus minevikus võis oluliselt erineda praegusest. Kui see oleks suurem, tähendaks see, et universumi eluiga hinnati üle ja seal pidi toimuma Suur Pauk. Oleme silmitsi sarnase olukorraga kõigi Friedmanni mudeli tüüpide puhul, kus Hubble'i konstant langeb universumi vanuse kasvades, mõõdetuna Suurest Paugust. Seadus, mille järgi Hubble'i konstant muutub, sõltub sellest, millega universum on valdavalt täidetud. Kui universum on täidetud nn “külma” ainega ehk osakeste ja objektidega, mille kiirus on oluliselt väiksem kui valguse kiirus, näiteks tähed, tolm, tähtedevaheline gaas, siis Hubble’i konstant väheneb ühe seaduse järgi. Kui aine esitatakse osakeste kujul, mis liiguvad kiirusega, mis on võrdne (näiteks footonid - elektromagnetilise kiirguse kvantid) või lähedal (näiteks neutriino, millel on tänapäevaste kontseptsioonide kohaselt väike nullist erinev puhkemass), valguse kiirusele, siis toimub kukkumine kiiremini. Igal juhul on Suure Paugu hetkel Friedmanni mudeli Hubble'i konstant lõpmatult suur.

Aga kui Hubble'i konstant oleks praegusest väiksem, siis võime eeldada olukorda, kus galaktikad hajusid oma praegusesse olekusse lõpmatu aja jooksul, st selliste mudelite puhul oli Universum alati olemas ja Suurt Pauku lihtsalt polnud. Selliste mudelite näide on de Sitteri lahendus, kus Universum on tühi, kuid on olemas kosmoloogiline konstant. Sel juhul suureneb Universumi suurus aja jooksul eksponentsiaalselt, st enne seda, kui see oli oluliselt väiksem. Suurt Pauku selles mudelis ei ole. Siiski on näiliselt kaalukas argument mitte-Big Paugu mudelite vastu. Kuna galaktikad liiguvad üksteisest lahku, asusid nad varem üksteisele lähemal. Minnes kaugemale minevikku, saame väga suure ainetihedusega Universumi.

Sellegipoolest on astronoomid välja mõelnud üha paisuva universumi mudeli, mille puhul oleksime minevikus vaatlenud täpselt sama pilti, mis praegu. Seda Fred Hoyle'i ja Jayant Narlikari väljapakutud hämmastavat mudelit nimetatakse statsionaarseks ja sellel on nii Einsteini staatilise mudeli (aja jooksul midagi ei muutu) kui ka Friedmanni dünaamilise mudeli (universum paisub) tunnused. Selle teooria loojad pakkusid välja niinimetatud "ideaalse kosmoloogilise printsiibi" või Koperniku absoluutse printsiibi. Tavaline Koperniku printsiip väidab, et universumi omadused on kõigis ruumipunktides ühesugused. See põhimõte tekkis arusaamisest, et Maa ei ole Universumi keskpunkt ja selle asukoht pole midagi erilist. "Ideaalne" kosmoloogiline printsiip lisab sellele ajalist sõltumatust. Soov ideaalse maailma järele koos tollase otseste tõendite puudumisega Suure Paugu olemasolu kohta viis selliste kummaliste ideede tekkimiseni.

Selleks, et tihedus Universumi paisumise ajal ei langeks, tuli eeldada, et aine tekib eimillestki ühtlaselt kogu Universumis ja sellisel kiirusel, et kompenseerida paisumisest tingitud harvendamine. Seda aine pideva loomise teooriat saab kirjeldada ka varjatumal kujul. Oletame, et Universumis on teadusele tundmatu väli, mida nimetatakse C-väljaks (ingliskeelsest sõnast loomine), mis ühelt poolt tagab Universumi paisumise, teisalt aga võib muutuda tavaaine, tagades selle pideva tekke. Arvutused on näidanud, et selle teooria kohaselt peaks üks vesinikuaatom sündima 1 m 3 kohta miljardi aasta kohta.

Püsiseisundi kosmoloogiat käsitlevad põhjapanevad paberid avaldasid Hermann Bondi, Thomas Gold ja Fred Hoyle 1948. aastal. Kummalisel kombel on sellel teoorial endiselt mitmeid toetajaid, eesotsas selle ühe autori Narlikariga, kes üritavad selgitada tänapäeva kosmoloogilisi andmeid. kasutades statsionaarset mudelit 21. sajandil. Üksikasjaliku ülevaate selle teooria arengust leiab Helga Kragi ülevaatest. Tuleb märkida, et on väga väike arv teadlasi, kes eitavad Suurt Pauku.

Suure Paugu teooria on üksikasjalikult välja töötatud. Seda tegi Odessa põliselanik Georgi (George) Gamow. Nõukogude füüsik, NSVL Teaduste Akadeemia korrespondentliige põgenes koos perega läände, kus jätkas füüsikaõpinguid. Suure Paugu teooria raames uuris ta üksikasjalikult kõiki etappe, mille Universum oma eksisteerimise algfaasis läbis. Teooria vastas küsimusele, millised osakesed ja millistes kogustes täitsid Universumi igal ajahetkel, kuidas muutus selle temperatuur, kuidas toimus nukleosüntees ehk raskemate elementide tuumade moodustumine kergematest elementidest.

See oli esimene kosmoloogiline mudel, mis ei piirdunud Einsteini võrrandi lahendamisega. See kasutab Friedmani kosmoloogilist lahendust, kuid erilist tähelepanu pöörati sellele, millega Universum oma arengu erinevatel etappidel täitus ja millised protsessid toimusid. Universumi sisu mõjutas selle paisumise kiirust, mistõttu tuli üheaegselt uurida nii Universumi paisumist kui ka seda täitva aine arengut.

Kõik Gamow teooria ennustused, mida oli võimalik astronoomiliste andmetega kontrollida, said kinnitust ja kosmilise mikrolaine taustkiirguse avastamine sai otsustavaks argumendiks selle õigsuse kasuks. Pärast seda on kosmoloogid aastakümneid nimetanud Gamow teooriat standardseks kosmoloogiliseks mudeliks, kuna see on kõigi kosmoloogiliste arvutuste aluseks. Mõnda detaili täpsustati, kuid oluliselt ümber ei tehtud. Ausalt öeldes oleks Gamow pidanud jagama 1978. aasta Nobeli füüsikaauhinda Penziase ja Wilsoniga, kuid Gamow suri 1968. aastal ja Nobeli preemiat ei saa postuumselt välja anda.

Pange tähele, et Gamow sai lisaks standardsele kosmoloogilisele mudelile ka muid Nobeli preemiat väärivaid tulemusi, näiteks lõi ta tuumade alfalagunemise teooria. Raske öelda, kas Nobeli komitee ei pidanud seda tulemust Nobeli preemia saamiseks piisavalt oluliseks või ei tahtnud tülli minna Nõukogude Liiduga, kes ilmselgelt ei rõõmustaks, kui auhind antaks ülejooksjale. On uudishimulik, et teoreetiliselt võiks ta kvalifitseeruda ka Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhinnale selle eest, et selgitas DNA-sse informatsiooni salvestamise põhimõtteid nukleotiidide kolmikute abil.

Kuid pöördugem tagasi standardse kosmoloogilise mudeli juurde, mis ise vääris kindlasti Nobeli preemiat. Selle mudeli järelduste populaarse esitluse võib leida paljudest raamatutest, sealhulgas populaarteaduslikest raamatutest. Nobeli preemia laureaadi Steven Weinbergi raamat “The First Three Minutes”, mis kirjeldab Gamowi teooria kohaselt meie universumi eksisteerimise kolme esimest minutit, sai omal ajal bestselleriks.

küsimus: Kus täpselt Suur Pauk toimus?
Vastus: Seda küsimust võib sageli kuulda isegi professionaalsetelt füüsikutelt. Vastus on lihtne: valige suvaline punkt, mis teile meeldib, näiteks ninaots. Just sel hetkel toimus Suur Pauk. Kuid ükski teine ​​punkt meie universumis pole halvem, kuna Suur Pauk toimus ka seal ja samal ajal. Iga minevikku ulatuva punkti ajalugu (mida nimetatakse ka maailmajooneks) jõuab varem või hiljem Suure Pauguni. Selle küsimuse põhjuseks näivad olevat kaadrid populaarteaduslikest filmidest, mis illustreerivad sageli väljastpoolt näidatud Suurt Pauku. Reaalses universumis ei saa Suurt Pauku väljastpoolt jälgida, kuna seda “väljast” lihtsalt ei eksisteeri. Kui tuua analoogia pommi plahvatusega, siis see pole väljastpoolt vaadeldud pommiplahvatus, vaid pommiplahvatus selle sees elavate mikroobide vaatenurgast, kuigi see analoogia pole päris õige, kuna pomm on mitte punktobjekt.

küsimus: Kas Suure Paugu kohta kehtivad füüsikaseadused?
Vastus: Matemaatilises mõttes on Suure Paugu hetk see, mida nimetatakse singulaarsuseks või tunnuseks. Mõistet "mineviku kosmoloogiline singulaarsus" kasutatakse ka Suure Paugu kohta. Sellise singulaarsuse lähedal kipub aegruumi kõverus lõpmatuseni.
Siin on vaja teha väike kõrvalekalle. Fakt on see, et kaasaegne teadus lähtub eeldusest, et füüsikaseadused on kõikjal universumi vaadeldavas osas ühesugused. Vaatamata selle eelduse pidevale kontrollimisele, ei ole selle paikapidavuses veel mingeid põhjendatud kahtlusi tekkinud. Veelgi enam, sõna "jälgitav" on mainitud põhjusega, kuna mõnede teooriate kohaselt võivad füüsikaseadused väljaspool kosmoloogilist horisonti olla täiesti erinevad.
Lähme nüüd tagasi Suure Paugu juurde. Kaasaegne teadus ei saa kirjeldada Universumi olekut vahetult pärast seda, kuna vastavaid teooriaid (näiteks kvantgravitatsiooni) pole veel loodud. Sellegipoolest loodame, et olemasolevad teooriad suudavad üsna rahuldavalt kirjeldada universumit, mille vanus ületab oluliselt Plancki ajaühikut, mis on ligikaudu võrdne 10–42 sekundiga. Siin kasutatakse sõnu "loodame", sest on ebatõenäoline, et me suudame kunagi jälgida midagi, mis on seotud universumi eksisteerimise varase staadiumiga.

küsimus: Miks Suur Pauk juhtus?
Vastus: Sellist küsimust on lihtne küsida, kuid raske vastata. Enamik kosmolooge usub, et Suur Pauk on kvantefektide, nagu kvantkõikumine või kvanttunneldamine, tulemus.

küsimus: Kuidas saaks kvantkõikumise tulemusena tekkida hiiglaslik paljude galaktikatega universum?
Vastus: Alustame hämmastava faktiga miljonite galaktikatega hiiglasliku universumi kohta. On teada, et aatomituuma mass on väiksem kui sellesse kuuluvate prootonite ja neutronite kogumass, mis on tegelikult nende olemasolu põhjus. Seda nähtust nimetatakse massi tuumadefektiks (nimetatakse ka defitsiidiks). Mass vastavalt valemile E = mc 2 väheneb tuuma vastastikmõju energia jagatuna valguse kiiruse ruuduga. Meie universumis on see mõju tähtsusetu. Kuid gravitatsiooniväljas on oma, gravitatsiooniline, massidefitsiit. Seetõttu on universumi mass võrdne seda moodustava aine massiga, millest on lahutatud gravitatsiooniline massidefitsiit. Suletud universumi puhul on kogumassi väga lihtne meeles pidada: see on võrdne nulliga. Gravitatsiooniline massidefekt kompenseerib täielikult aine massi.
Ja nullmassiga objekti moodustamine kvantkõikumiste kaudu ei tundu enam nii võimatu asi.

küsimus: Miks meie universumis ei teki uusi universumeid?
Vastus: See ei ole üldse fakt. On hüpoteese, et kogu aeg sünnib uusi universumeid. Võimalik, et selle lause lugemise ajal tekkis sinust vähem kui kilomeetri kaugusel uus universum. Kuid välise vaatleja jaoks on see universum sarnane eksootilise elementaarosakesega. Moses Markov nimetas selliseid osakesi friedmoniteks.

küsimus: Mis juhtus enne Suurt Pauku?
Vastus: Kaasaegne teadus ei suuda sellele küsimusele vastata. Kui keegi väidab, et teab vastust, siis tõenäoliselt ta eksib. Üks elegantne viis sellele küsimusele vastamise vältimiseks on öelda, et aeg ilmus koos meie universumiga ja mõistet "enne Suurt Pauku" lihtsalt ei eksisteeri.


Loe täismahus:
Parnovsky S.L. Kuidas universum töötab: Sissejuhatus kaasaegsesse kosmoloogiasse. - M.: Alpina aimekirjandus, 2018. - 277 lk.

"Discovery: How the Universe Works" (telesarjad 2010 – 2014) (How the Universe Works) on Ameerika Ühendriikide mitmeosaline film, mis filmiti 2010. aastal teadusliku dokumentaalfilmi žanris. Film saavutas hämmastava populaarsuse, kuigi paljud produtsendid seda ei oodanud. Sari äratas mitmekesise vanuserühma tähelepanu ja seda filmiti nelja hooaja jooksul. Projekti loojad kavatsevad käivitada uue sarja, mis seekord räägib erinevatest universumi loomise teooriatest alates suurest paugust kuni keelpilliteooriani. Filmi süžee esimesest episoodist räägib meie universumi tekkimisest, alustades arvukatest teooriatest esimeste väikseimate osakeste ilmumise kohta. Iga episood räägib üksikasjalikult igast tsüklist ja kõigist universumis toimunud protsessidest. Tänu sujuvatele üleminekutele esitatakse kõik lood ja isegi keerulised astrofüüsikalised kontseptsioonid publikule kättesaadavas keeles, mis annab vastused paljudele küsimustele. Seeria kasutab uusimaid graafikatehnoloogiaid, tänu millele näete hämmastavaid nähtusi. Filmi visuaalefektide meistriks kutsuti andekas eriefektide meister Matt Stevenson, kes tõstis filmi uuele tasemele.

6.1. Mustad augud

Peame oma lubaduse ja räägime mõnest eksootilisest objektist, mida Üldrelatiivsusteooria ennustab. Need on oluliselt vähem levinud kui tumeaine või tumeenergia, kuid on piisavalt huvitavad, et neid selles raamatus vähemalt mainida.

Esimene objektitüüp, mida me vaatleme, on mustad augud, millest paljusid on astronoomid täheldanud. Must auk on objekt, mille tihedus on nii suur, et selle keskmes olevad ruumilised kõverused ja loodete jõud muutuvad lõpmatuks (seda nimetatakse aegruumi singulaarsuseks või lühidalt lihtsalt singulaarsuseks). Seda objekti ümbritseb sündmuste horisont - musta augu "pind". Iga objekt, sealhulgas valgus, kukub auku läbi oma sündmuste horisondi, kuid ei saa sealt lahkuda ja peab liikuma keskse singulaarsuse poole. Seetõttu nimetatakse seda objekti mustaks auguks.

Põhjus on selles, et sündmuste horisondi all muutub radiaalne koordinaat ajaliseks. See tähendab, et horisondi sees oleva keha radiaalkoordinaat peaks vähenema, nagu peaks suurenema mis tahes väljaspool musta auku asuva keha ajakoordinaat. Me rändame mööda aega ja musta augu sees langev objekt liigub mööda oma radiaalset koordinaati singulaarsuse suunas.

Kas võiks olla sarnaseid ruumipiirkondi, kus kõik peab sellest kesksest singulaarsusest eemalduma? Füüsikud on seda võimalust kaalunud ja nimetanud selliseid objekte "valgeteks aukudeks". Arutame neid veidi hiljem.

Kaugust tsentraalsest singulaarsusest sündmuste horisondini nimetatakse Schwarzschildi raadiuseks ja see on võrdeline musta augu massiga. See ei ole päris vahemaa selle sõna tavalises tähenduses, sest liikumine toimub ajas. Kuid ärgem olgem liiga valivad sõnade osas, kui kirjeldame musti auke ja nende harjumusi. Päris elus esinevate mustade aukude Schwarzschildi raadiused on tavaliselt väga väikesed: kui Päike peaks muutuma mustaks auguks, oleks selle Schwarzschildi raadius umbes 3 km. Mustade aukude massid ulatuvad mõnest päikesemassist mitme miljardi päikese massini. Arvestades, et musta augu raadius on võrdeline selle massiga, on nende mustade aukude raadiusi lihtne hinnata.

Esimene musta auku kirjeldav Einsteini võrrandite lahendus ilmus 1916. aastal samaaegselt üldrelatiivsusteooriaga. Selle otsuse füüsilise tähenduse mõistmiseks kulus aga umbes kaks aastakümmet ja täielik arusaamine saavutati aastal 1958. Pikka aega, kuni mustade aukude avastamiseni vaatlusmeetoditega, täitis astronoomide suhtumine neisse kogu spektri – alates täielikust. tagasilükkamine katsetele kuulutada mis tahes arusaamatu objekt mustaks auguks. Alles kahekümnenda sajandi lõpus. Mustade aukude laager tähistas võitu: mõned tulihingelisemad vastased olid sunnitud tunnistama mustade aukude olemasolu. Mõiste "must auk" ilmus esmakordselt 1964. aastal.

Loomulikult ei saa musta auku ennast jälgida, kuna nagu nimigi ütleb, ei eralda see midagi. Tegelikult kiirgavad mustad augud kvantefektide tõttu, kuid selle kiirguse temperatuur, mille avastas Stephen Hawking, on väga madal ja seda pole tegelikult võimalik tuvastada. Näiteks kui meie Päike muutuks mustaks auguks, oleks selle kiirguse temperatuur vaid 10–7 K.

Musti auke saab enam-vähem otseselt vaadelda kahel juhul: kas must auk on osa binaarsüsteemist, mille puhul on näha selle akretsiooniketast (auku langev ja selle ümber tiirlev aine kiirgus) või on tegemist ülimassiivsega. must auk, nagu Ambur A*, mis asub meie galaktika keskmes Amburi tähtkujus. Teisel juhul näeme ümber tiirlevate lähedalasuvate tähtede õiget liikumist Ambur A*. Kaugete vahemaade tagant võime näha musti auke aktiivsete galaktikate tuumade ja kvasaridena. NASA näitas hiljuti tohutut mustade aukude kontsentratsiooni piirkonnas nimega Chandra sügav väli-lõuna pildistatud Chandra röntgeni kosmoseteleskoobiga. Kuuketta suurusel taevalaigul on üle 5000 musta augu.

Astronoomid teavad tähemassiga musti auke, mille massid ulatuvad mitmest päikesemassist, vahepealsed massid sadade päikesemasside suurusjärgus ja ülimassiivsed mustad augud, mille mass ulatub miljonist päikesemassist. Reeglina asuvad nad galaktikate tsentrites; mängib seda rolli meie galaktikas Ambur A* mille mass on 4 miljonit päikesemassi. Meie galaktika läheduses asub kõige massiivsem must auk M87 galaktika keskel; selle mass on 6 miljardit päikesemassi. Ja kõige massiivsema teadaoleva musta augu mass on 20 miljardit päikesemassi ja see asub galaktikas NGC 4889.

Kuidas tekivad mustad augud? Loomulikult võisid Suure Paugu ajal koos ülejäänud universumiga tekkida mustad (ja valged) augud, kuid need kõik oleksid inflatsiooni ajal kosmoloogilisest horisondist kaugele puhunud. Seega pole meil mingit võimalust vaadelda Suure Paugu ajal tekkinud auke. Vaadeldud mustad augud tekkisid teistmoodi, nimelt kokkuvarisemise ehk massiivsete objektide kiire kokkusurumise kaudu. Ilmselgelt ei saanud sel viisil valgeid auke moodustada, seega ei saa me neist ühtegi jälgida.

Mustad augud on laialt tuntud tänu ulmele. Teine asi on see, et ulmekirjanike kirjeldatud mustade aukude omadused on üsna kaugel sellest, mida teadus väidab. Relatiivsusteooria seisukohalt võivad üksikul mustal augul olla järgmised parameetrid: mass, elektrilaeng ja nurkimment. Põhimõtteliselt käsitletakse musti auke, millel on ka kaks mittefüüsilist parameetrit: magnetlaeng ja nn Newman - Unti - Tamburino parameeter. Mustal augul ei saa olla muid sõltumatuid parameetreid. Seda väidet tuntakse relatiivsusteoorias kui "mustade aukude teoreemi, millel pole juukseid". juusteta teooria) . Kui keerulise kujuga keha, näiteks laud, kukub musta auku, siis kiirguvad gravitatsioonilainetena selle massijaotuse üksikasjad, st kõik mitmepooluselised momendid alates kvadrupoolist.

Kõigil mustadel aukudel on mass, seega on ainult neli võimalikku mustade aukude tüüpi olenevalt elektrilaengu ja spinni olemasolust. Lihtsamad neist on laenguta, mittepöörlevad mustad augud, mida kirjeldab Schwarzschildi lahendus. Laetud mittepöörlevaid musti auke kirjeldab Reissner-Nordströmi mõõdik, laenguta pöörlevaid musti auke Kerri lahendus ja laetud pöörlevaid musti auke Kerr-Newmani mõõdik. Alustame kõige lihtsamate Schwarzschildi mustade aukudega.

6.1.1. Schwarzschildi mustad augud

Vaatleme esmalt kõige lihtsamat mittepöörlevat laenguta musta auku. Üldrelatiivsusteoorias kirjeldatakse sellist musta auku Schwarzschildi mõõdikuga ja vastavalt sellele nimetatakse seda Schwarzschildi mustaks auguks. See lahendus on sfääriliselt sümmeetriline ja sõltub ainult ühest radiaalkoordinaadist r. Kesklinnas kl r= 0 on singulaarsus, st koht, kus aegruumi kõverus läheb lõpmatuseni. Oleme juba kohanud singulaarsusi, kui räägime Suurest Paugust, Suurest Crunchist ja Suurest Rebimisest. Seda singulaarsust ümbritseb aga igast küljest musta augu nn sündmuste horisont, mille raadius on võrdeline selle massiga. See horisont toimib poolläbilaskva membraanina. Horisondi kaudu pääsevad aine ja kiirgus ainult musta auku, kuid ei saa välja minna. Musta auku sattudes, sündmuste horisondi ületanud, peab iga keha liikuma, vähendades radiaalset koordinaati. See on tingitud asjaolust, et sündmuste horisondi all muutub radiaalkoordinaat ajalaadseks, st käitub meile tuttavas ruumis nagu aeg. Seetõttu, nagu me ei saa liikuda vastu aega, langeb sündmuste horisondi ületanud keha vältimatult kesksingulaarsusse.

Milline saab olema musta auku langeva keha saatus? Kui see langeb vabalt, siis relativistlikust vaatepunktist on ta valitud tugiraamistikus paigal. Kuid seda mõjutavad loodete jõud, mis on singulaarsuse lähedal äärmiselt tugevad. Nad kipuvad seda tangentsiaalses suunas kokku suruma ja radiaalsuunas venitama, muutes selle välja nagu nuudlid, mis on pealt veidi paksemad. Seega, kui soovite kogeda, mis tunne on kukkuda musta auku ilma end surmaohtu seadmata, võite siduda raskused jalgade külge ja rippuda võimlemisrõngaste küljes käte küljes, nagu on näidatud joonisel fig. 6.1.

Sündmushorisondi läbimisel ei juhtu midagi erilist; üldiselt ei eristata kukkuja seisukohalt hetkel, mil keha ületab sündmuste horisondi. Kesksele singulaarsusele lähenedes muutuvad loodete jõud lõpmatuks. Selle tulemusena rebitakse keha tükkideks, tükid tükkideks, tükid aatomiteks ja aatomid elementaarosakesteks.

Loodejõud on proportsionaalsed M/r 3 kus M- musta augu mass. See on mitterelativistlik lähendus, mis kehtib ainult piisavalt suurel kaugusel singulaarsusest. Lähikauguste puhul tuleb kasutada relativistlikku valemit, kuid selle kasutamise vajadus tähendab, et loodete jõud on tugev ja langev inimene on ammu tükkideks rebitud; nii kaua, kuni ta elab, töötab see ligikaudsus hästi. Sündmuste horisont on kauguses r g, kus r g on Schwarzschildi raadius, tuntud ka kui gravitatsiooniraadius, mis on võrdne \(r_(g) = 2GM/c^(2) \umbes 2,95M/M_(\odot) \) km, kus \(M_(\odot) ) \) - Päikese mass. Seega, kui väljendada kaugust musta auguni selle Schwarzschildi raadiuses, on loodete jõud võrdeline ( r s/ r) 3 /M 2, mis tähendab, et antud arvu Schwarzschildi raadiusega võrdsel kaugusel on loodete jõud massiivsemate mustade aukude puhul nõrgem.

Eelkõige, kui vabalt langev vaatleja ületab ülimassiivse musta augu sündmuste horisondi, ei tunne ta midagi erilist. Kuid pole tõsi, et ta suudab lennata ohutult väikese musta augu sündmuste horisonti.

Hinnakem nüüd lennuaega musta augu sees – sündmuste horisondi ületamisest kuni keskse singulaarsuseni. Me kasutame teoreetiliste füüsikute poolt nii armastatud tehnikat, mida nimetatakse mõõtmeanalüüsiks. Kuna langemisaeg on kinemaatiline suurus, ei saa see samaväärsuse printsiibi tõttu sõltuda langeva keha parameetritest. Seega võib see sõltuda ainult musta augu parameetritest. Schwarzschildi mustal augul on ainult üks parameeter: mass. Meil on ka kaks vastavat põhikonstanti – gravitatsioonikonstant G ja valguse kiirus vaakumis Koos. Nende kolme suuruse ainus kombinatsioon aja mõõtmega on GM/c 3. Seega on musta auku langemise aeg võrdne \(kGM/c^(3)\umbes 4,93kM/M_(\odot)\) μs, kus k- teatud mõõtmeteta koefitsient. Vastuse saime ja seda üldrelatiivsusteooria raames, midagi arvutamata ja valemeid kasutamata. See on mõõtmeanalüüsi ilu. Siin võiksime lisada selle väärtuse k suurusjärk ei tohiks ühtsusest oluliselt erineda.

Selle täpse väärtuse leidmiseks vajate nii valemeid kui ka arvutusi. Suurusjärk k sõltub sellest, kuidas keha täpselt langeb, kuid see ei saa mingil juhul ületada π, isegi kui keha on rakett ja ta paneb oma mootori tööle, püüdes kõigest väest kukkumist pidurdada. See on piirväärtus k= π ei ole võimalik saada mitterelativistlikest valemitest; Huvilised suuname raamatus probleemi 17.3 juurde. Seega on musta auku langemise maksimaalne aeg \(\pi GM/c^(3) \umbes 15,5M/M_(\odot) \) µs. Meie galaktika keskel oleva musta augu jaoks Ambur A* see aeg on umbes minut. Kõige massiivsema teadaoleva musta augu jaoks, mis asub galaktikas NGC 4889 ja mille mass on umbes 21 x 10 9 päikesemassi, oleks see umbes 90 tundi, nii et kukkuval vaatlejal oleks piisavalt aega kaaluda, kas tema otsus hüpata auk oli tõesti tark.

Kukkumise aega mõõdetakse langeva vaatleja süsteemis ehk tema enda kella järgi. See selgitus on väga oluline, kuna erinevates võrdlussüsteemides, st erinevate vaatlejate poolt mõõdetud aeg võib oluliselt erineda. Musta augu lähedal on gravitatsiooniväli väga tugev ja toob kaasa aja dilatatsiooni ehk nn gravitatsioonilise punanihke.

Pöörakem tähelepanu asjaolule, et keha läheneb ajas singulaarsusele, mille rolli mängib koordinaat r. Sellist singulaarsust nimetatakse ruumitaoliseks. Teised näited sellisest singulaarsusest on kosmoloogilised singulaarsused, st Big Bang, Big Crunch ja Big Rip. Ülejäänud kolm koordinaati, sealhulgas tähega tähistatud koordinaat t, väljaspool ajale vastavat musta auku, musta augu sees on need ruumitaolised ehk mööda neid saab liikuda igas suunas. Illustreerimiseks vaadake langeva keha valguskoonuseid, mis on näidatud joonisel fig. 6.2. Tuletame meelde, et valguskoonus on aegruumi hüperpind, mis tekib siis, kui valgus läbib teatud punkti. Selle kõige olulisem omadus on see, et ükskõik mida objekt ka ei teeks, ei saa ta oma valguskoonusest välja minna. Täpsemalt vt jaotisest 1.2.8.

Kaugel mustast august näeb valguskoonus üsna tavaline välja: valgus levib võrdselt igas suunas, seega on valguskoonuse telg suunatud piki telge t. Kui objekt läheneb mustale augule, hakkab selle gravitatsioon valgust ligi tõmbama (mõelge gravitatsiooniläätsedele). Kaugvaatleja vaatenurgast liigub valgus kiiremini musta augu poole kui sellest eemale ja valguskoonus kaldub musta augu poole. Sündmuse horisondil on valguskoonus kallutatud nii, et selle välisserv kulgeb paralleelselt teljega t. Sellest hetkest alates pole musta auku kukkumist enam võimalik vältida. Sisemine serv kulgeb paralleelselt teljega r. Kui langev vaatleja liigub sügavamale musta auku, kaldub tema valguskoonus veelgi kaugemale. Nüüd on selle mõlemad servad suunatud singulaarsuse poole ja on suunatud piki telge vastassuundades t. Seega saab piisavalt kiiresti liikuv keha liikuda telje vastassuunas t, mis jääb oma heleda koonuse sisse. Keskse singulaarsuse lähedal tuleks valguskoonust pöörata 90°, kuid see lihtne analoogia ei tööta singulaarsuse läheduses kuigi hästi.

Musta auku kukkuv keha vähendab gravitatsiooniväljas oma potentsiaalset energiat, muutes selle kineetiliseks energiaks. Sündmuste horisondil muutub see potentsiaalne energia nulliks. Kui me langetame keha musta auku, sidudes selle köie külge, mis pöörab ideaalse generaatori telge, saame energia, mis on võrdne mc 2 - keha kogu puhkeenergia.

See energia on tohutu: iga grammi aine kohta on 90 TJ, mis on umbes 25 GWh – tuumajaama poolt päevas toodetud energia. Kui sellist protsessi saaks praktikas rakendada, lahendaks see kõik inimkonna energiaprobleemid ja samal ajal prügiprobleemi. Samuti tuleb märkida, et see energia oleks tõeliselt "roheline", kuna protsessi ainus kõrvalsaadus oleks keskkonnasõbralikud gravitatsioonilained.

Vaatleja jaoks, kes on musta augu suhtes paigal ja asub sellest lõpmatult kaugel (tegelikult rohkem kui 100 raadiuse kaugusel), voolab aeg normaalse kiirusega. Kui aeg läheneb mustale augule, hakkab see aeglustuma ja peatub kauge vaatleja vaatenurgast täielikult sündmuste horisondil. Kui ümbritseme musta augu sfääriga ja läbi luugi vabastame aeglaselt kaabli, mille küljes on kvartskell, siis mustale augule lähenedes hakkab kell käima aina aeglasemalt, sõltumata selle tööpõhimõttest ( muidugi, välja arvatud gravitatsioonil põhinevad kellad, näiteks pendel või liiv).

Selle mõjuga on seotud kaks levinud müüti, millest ühe võlgneme populaarteaduslikule kirjandusele ja teise ulmele. Vaatame neid järjekorras.

Tuntud mõtteeksperimendis osaleb kaks vaatlejat, kellest üks kukub musta auku ja teine ​​jälgib seda, jäädes liikumatuks. Väidetakse, et ülalkirjeldatud aja dilatatsiooni mõju tõttu näeb paigal seisev vaatleja langevat inimest igavesti, kuigi ta jõuab sündmuste horisondile täiesti piiratud aja jooksul omaenda võrdlusraamistikus. Mida statsionaarne vaatleja tegelikult näeb? Langev keha kiirgab langemise ajal piiratud arvu footoneid, kuna see protsess toimub oma võrdlusraamistikus. Statsionaarse vaatlejani jõudev langeva keha kiirgusvoog väheneb formaalse matemaatika seisukohalt ajas eksponentsiaalselt (et "venitada" lõpmatuks ajaks lõplikku arvu footoneid), st. keha väheneb. Lisaks suureneb selle kiirguse lainepikkus gravitatsioonilise punanihke ja Doppleri efekti tõttu. Selle tulemusena jõuavad enam-vähem pika aja pärast paigalseisva vaatlejani vaid üksikud langeva keha poolt kiiratavad ja isegi ülimadala energiaga footonid. Seega, kuigi formaalselt "näeb" statsionaarne vaatleja langevat keha igavesti, on objekt tegelikkuses nähtav piiratud aja. Just seetõttu, et valgus tuleb kvantide kujul, näeb väline vaatleja mõne aja pärast viimast langeva keha kiirgavat footonit enne horisondi ületamist. Arvutused näitavad, et see juhtub üsna kiiresti.

Üks ulmelugu kirjeldab olukorda, kus surev tsivilisatsioon saatis oma saavutuste kohta infoga laetud kosmoselaeva musta auku, et tulevased tsivilisatsioonid saaksid selle avastada ja päästa, saades kingituseks väärtuslikke teadmisi. Kas see on võimalik? Selgub, et on olemas piiratud aeg, mille jooksul see on võimalik. Pärast selle möödumist "näeb" seisev vaatleja (jutumärgid on seal eelmises lõigus kirjeldatud põhjusel), kuidas päästelaev läheneb päästetule lõpmatu aja jooksul, kuid ei jõua temani kunagi. Pealegi ei jõua teise laeva valgus kunagi esimeseni, nii et ta ei tea isegi, et keegi üritas teda päästa.

Põgenemisaeg peab olema samas suurusjärgus kui aeg, mis kulub kesksingulaarsusse langemiseks, sest muud iseloomulikku ajaskaalat pole saadaval. Kuna see aeg on nii lühike (paar mikrosekundit päikesemassiga musta augu puhul), peab päästemeeskond olema äärmiselt tõhus.

6.1.2. Reissner-Nordströmi must auk

Vaatleme nüüd laetud musta auku ehk musta auku, millel on lisaks massile ka elektrilaeng. Selle laengu ja massi suhe ei tohi ületada teatud kriitilist väärtust. Laetud musta auku kirjeldab Reissner-Nordströmi mõõdik. Mõelge sellele, kui keha kukub sellele. Enne sündmuste horisondi ületamist toimub kõik peaaegu samamoodi nagu eespool käsitletud Schwarzschildi musta augu puhul, välja arvatud elektrostaatilise välja olemasolu. Pärast sündmuste horisondi läbimist hakkab keha paratamatult langema samamoodi kesksingulaarsuse suunas, kuid ühe olulise erinevusega. Teel tsentraalsesse singulaarsusse ületab keha teise sündmuste horisondi ja satub musta augu sisemisse piirkonda, kus radiaalne koordinaat on taas ruumisarnane. Mis puudutab kesksingulaarsust, siis see saab olema ajaline, st selle läheduses saab liikuda nii selle poole kui ka eemale. Seega muudab iga, isegi väikseim musta augu elektrilaeng täielikult selle keskpunkti singulaarsuse tüüpi.

Teoreetiliselt, kui langev keha on näiteks rakett, võib see mootorid sisse lülitada ja liikumissuunda muuta, hakates liikuma kasvava radiaalkoordinaadiga. Mõnede ekspertide sõnul siseneb see sisemise horisondi kaudu lennanud uuesti piirkonda, kus radiaalkoordinaat on ajaline, ja nüüd suureneb, st keha satub valgesse auku, mille horisondi kaudu ta välja lendab. . Ja kuhu see täpselt välja lendab? Keegi ei saa sellele küsimusele vastata. Pole selge, kas see juhtub ühelgi hetkel, ajahetkel või üldse universumis. Üks probleem ootab aga neid, kellele meeldib reisida tundmatusse. Astronoomiliselt mõistlike parameetritega musta augu sisehorisont on singulaarsusele liiga lähedal ja musta auku visatud rebeneb enne selle ületamist laiali. Veelgi enam, juba idee, et sisemist horisonti saab ületada seestpoolt, on spekulatiivne.

6.1.3. Pöörlev Kerri must auk

Viimased mustad augud, mida me käsitleme, on laenguta, kuid pöörlevad mustad augud, mida kirjeldab Kerri mõõdik. Kuna enamik astronoomilisi objekte pöörleb, arvatakse, et see on kõige levinum mustade aukude tüüp. Nagu Reissner-Nordströmi mustal augul, on ka Kerri mustal augul piirang. Selle nurkimment antud massi juures ei tohiks ületada massi järgi määratud kriitilist väärtust.

Sel juhul ümbritseb keskne singulaarsus sfäärilise sündmuste horisondiga. Selle horisondi ümber on teine ​​pind, mida nimetatakse statsionaarsuse piiriks. Sellel on lapiku pöördeellipsoidi kuju ja see puudutab sündmuste horisonti punktides, mis asuvad pöörlemisteljel. Nende kahe pinna vahelist ruumi nimetatakse ergosfääriks. On tõestatud, et ükski ergosfääri sisenev keha ei saa olla kauge vaatleja suhtes liikumatu – see peab pöörlema ​​musta auguga samas suunas. Ergosfääris pöörlevatel kehadel võib puhkeenergiat arvestades olla negatiivne koguenergia. Seetõttu võib ergosfääri lennanud keha laguneda kaheks kehaks, millest üks on negatiivse energiaga, teine ​​aga energia jäävuse seaduse järgi suurema energiaga kui algkeha.

Kui arendame idee energia- ja keskkonnaprobleemide lahendamisest mustade aukude abil, siis saame saata konteineri prügiga musta augu ergosfääri. Kellamehhanism avab konteineri teatud ajahetkel ja viskab prahi negatiivse koguenergiaga orbiidile. Kiirendatud konteiner lendab ergosfäärist välja ning selle kineetilist energiat saab kasutada rahvamajanduse huvides. Seega on võimalik saada energiat, mis on suurem kui mc 2 kus m- äravisatud prügi mass. Kust tuleb lisaenergia? Ergosfääri paisatud praht pöörleb musta augu pöörlemissuunale vastupidises suunas. Musta auku sisse kukkudes vähendab see selle nurkhoogu. Seega saadakse energiat musta augu pöörlemise aeglustamisel. Selle protsessi pakkus välja Roger Penrose.

Kerri musta augu lähedal asuvate valguskoonuste omadused on näidatud joonisel fig. 6.3. Erinevalt sfääriliselt sümmeetrilisest Schwarzschildi mustast august on Kerri mustal augul valitud ruumiline suund – selle pöörlemistelg ja selle pöörlemise suund. Sellesse pöörlemisse on kaasatud ka ruum Kerri musta augu ümber. Seetõttu kalduvad valguskoonused mitte ainult keskpunkti, vaid ka pöörlemissuunas. Me ei saa neid kujutada kahemõõtmelisel joonisel, nagu tegime joonisel fig. 6.2 Schwarzschildi augu jaoks, loobudes ajatelje selgest esitusest. Sel põhjusel on joonisel fig. 6.3 kujutame Kerri musta augu ekvatoriaalset lõiget, asetame sinna teatud arvu testosakesi (mustad punktid), millest igaüks põleb sünkroonselt, muutudes selle valguskoonuse tipuks. Iga välklambi valgus levib väljapoole, moodustades laieneva kesta või lahkneva lainefrondi. Mõne aja pärast (kaugvaatleja võrdlusraamis) fikseerime ekvaatoritasapinna ja nende lainete esikülgede lõikepunktist moodustunud ringid joonisel fig 1 näidatud valgete ringide piirideks. 6.3. Lähim analoogia on ülevalt vaadatuna mullivann. Nad viskavad selle pihta kivikesi ja jälgivad, kuidas veepinnal olevad ringid langevad kohast lahku.

Vaadake hoolikalt joonist fig. 6.3. Märkate, et ringid paiknevad punktide suhtes erinevalt. Kujutage ette suurt ringi ümber keskse singulaarsuse, mis läbib punkti. Füüsikalisest vaatenurgast on võimalikud kolm põhimõtteliselt erinevat olukorda: a) ring sisaldab punkti; b) ringjoon ei sisalda punkti, vaid lõikub suure ringiga; c) ringjoon ei sisalda punkti ega ristu suurt ringi. Esimesel juhul võib katseosake olla puhkeasendis või liikuda mis tahes suunas; teisel juhul peab katseosake liikuma, kuid ei tohi siiski läheneda mustale augule ja vältida sellesse kukkumist; kolmandal juhul peab katseosake liikuma singulaarsuse poole. Toimub A toimub mustast august kaugel väljaspool selle ergosfääri, väljaspool statsionaarsuse piiri; toimumas b toimub ergosfääris; toimumas V toimub sündmuste horisondi sees.

Kerri lahendus erineb põhimõtteliselt Schwarzschildi ja Reissner-Nordströmi lahendustest ühe asjaolu poolest. Viimased ei kirjelda mitte ainult musti auke, vaid ka aegruumi mis tahes sfääriliselt sümmeetriliste massiivsete objektide ümber vaakumis, sealhulgas elektriliselt laetud objektide ümber. Näiteks mittepöörleva laenguta üksiktähe gravitatsioonivälja saab kirjeldada Schwarzschildi lahendusega. Võiks eeldada, et Kerri lahendus kirjeldab samamoodi gravitatsioonivälja väljaspool pöörlevat tähte, kuid see pole nii. Selle põhjused on liiga keerulised, et siin arutada.

Neile, kes tunnevad huvi mustade aukude vastu (ja ei karda keerulisi matemaatilisi valemeid), soovitame lugeda suurepärast artiklit “The Kerr-Newmani lahendus” ( Kerr-Newmani mõõdik) peal Scholarpedia .

6.2. Alasti singulaarsused

Mis juhtub, kui must auk saab liiga palju laengut või liiga palju nurkhoogu? Siis pole see must auk, vaid palju eksootilisem objekt - alasti singulaarsus ( alasti singulaarsus). Mis see on? Reissner-Nordströmi musta augu sees on ajalaadne singulaarsus, mida varjavad kaks sündmuste horisondi. Kui horisonte pole, siis sellist ajalikku singulaarsust nimetatakse paljaks singulaarsuseks. Mingil määral on see meie maailma piir. Võite lennata sellele nii lähedale kui soovite ja tagasi pöörduda, kuna selle vältimiseks pole horisonti. Just sellised singulaarsused tekivad Reissner-Nordströmi ja Kerri lahendustes, kui laeng või nurkimment ületab kriitilisi väärtusi. Horisondid kaovad ja kogu aegruumi struktuur muutub.

Me võime mõelda igale paljale tunnusele kui aknale tundmatusse maailma. Meil pole võimalust ennustada, mis sealt täpselt välja võib tulla. Kas sealt võivad ilmuda sõjakad tulnukad lendavatel taldrikutel või kahvliga kuradid? Põhimõtteliselt pole see välistatud, kuid nad ei suuda meie maailma vallutada selle läheduses asuvate lõpmatult suurte loodete jõudude tõttu. Ja lendavad taldrikud, kahvlid ja kuraditega tulnukad rebitakse elementaarseteks osakesteks.

Seega peaksid paljad tunnused, kui need on olemas, tootma peamiselt kergeid ja elementaarosakesi. Mis on selle aine ja kiirguse allikas? Keegi ei tea. Romantik võib nimetada paljasteks omadusteks uksi meie maailma ja mõne teise maailma vahel, vähemalt tagauks või aken. Teisisõnu, paljad singulaarsused – kui need on olemas – on kahesuunalised portaalid teistesse maailmadesse, erinevalt mustadest aukudest, mida võib nimetada ühesuunalisteks portaalideks.

Paljud teoreetilised füüsikud ja matemaatikud aga paljaste singulaarsuste olemasolu ei tunnista. Matemaatikutele üldiselt ei meeldi töötada lahendustega, millel on singulaarsused. Füüsikute vastuväited taanduvad kahele põhipunktile. Esiteks, me ei tea, kas füüsikaseadused, nagu me neid teame, peavad paika ka singulaarsuse lähedal. Teiseks ei saa me teada nende peal olevaid piirtingimusi ja selliste “akende” olemasolu ei anna meile võimalust algtingimuste põhjal ennustada Universumi tulevast seisundit.

Teine põhjus pani kuulsa füüsiku Roger Penrose'i sõnastama kosmilise tsensuuri põhimõtte ( Kosmilise tsensuuri põhimõte). Selle põhimõtte kohaselt peaksid kõik kollapsi käigus tekkinud singulaarsused olema sündmuste horisontide poolt kauge vaatleja eest varjatud.

See põhimõte on vaid hüpotees. Lisaks ei muuda see olematuks paljaste singulaarsuste olemasolu, mis tekkisid koos ülejäänud universumiga Suure Paugu hetkel. Kuid juba tuttav inflatsioon tooks sellised singulaarsused meie kosmoloogilise horisondi kaugemale. Seetõttu tähendab kosmilise tsensuuri põhimõte, kui see kehtib, praktiliselt seda, et meie vaatlusele ligipääsetavas universumi osas pole paljaid jooni.

Paljud üldrelatiivsusteooria lahendused sisaldavad paljaid singulaarsusi. Küsimus on selles, kas need lahendused on füüsilised ja neil on mingi seos reaalsusega. Põhimõtteliselt võivad mõned mustade aukudega tuvastatud objektid olla alasti tunnused, kuid selle kasuks pole tõendeid.

6.3. ussiaugud

Teist tüüpi eksootilised objektid on ussiaugud. Viimasel ajal on nende kohta hakatud kasutama ka mõistet “ussiauk”. Neisse saab lennata ühes kohas ja välja lennata hoopis teises kohas. Selle omaduse nimel kasutavad neid aktiivselt ära ulmekirjanikud, kes tahavad kuidagi mööda minna valguse kiiruse piirangust, mis teeb tähtedevahelisele rännakule praktiliselt lõpu, galaktikatevahelisest reisimisest rääkimata. Välise vaatleja seisukohalt on ussiauk Schwarzschildi mustast august eristamatu. Ussiaugu sissepääs näeb tavaliselt välja nagu must auk ja väljapääs näeb välja nagu valge auk. Selliseid objekte sai luua ainult koos universumiga Suure Paugu ajal, mis tähendab, et suure tõenäosusega me neid tuvastada ei suuda. Selles mõttes on need mõnevõrra sarnased eespool käsitletud Reissner-Nordströmi mustade aukudega, kuid erinevad neist selle poolest, et lennates läbi ussiaugu kõige sagedamini käsitletavas versioonis, läbib keha mitte nelja, vaid ainult kahe sündmuse horisondi, liikudes mööda. ajaline tee. See tähendab eelkõige seda, et ussiauk võimaldab liikumist ainult ühes suunas. Kõikide füüsiliselt mõistlike ussiaukude variantide puhul on loodete jõud aga nii suured, et välistavad makroskoopiliste objektide transportimise võimaluse.

küsimus

Kui musta auku kukkunud inimene valgustab taskulambiga piki raadiust väljapoole, kas see valgus suudab oma radiaalset koordinaati suurendada?

Vastus

Kasutame järgmist analoogiat: kukkumise ajal lendavast lennukist välja kukkunud mees viskas võtmed õhku. Kas need võtmed võivad lennata? Seda on üsna raske ette kujutada. Samuti kukuvad nad alla, kuid aeglasemalt, ja tabavad maad varsti pärast nende omanikku. Sama juhtub valgusega - see tabab endiselt keskmist funktsiooni, kuid veidi hiljem kui taskulambiga inimene. Kukkujate seisukohalt hakkab samal ajal taskulambi valgus ja võtmekimp nendest eemalduma. Tuletades meelde, et valguskoonuse piirid tähistavad valguse teed, saame sellest protsessist aru jooniselt fig. 6.2

Kerri musta augu sisemine struktuur (välimine ja sisemine horisont, tunnused) on üsna keeruline ja seda me selles raamatus ei kirjelda. Igal juhul, ilma sündmuste horisondi sisse langemata, ei näe me sees midagi.

Ussiaukude jaoks on erinevaid võimalusi, kuid nende hulgas pole üldiselt aktsepteeritud, seega kirjeldame neist ühte.

Kuidas Universum töötab

Kui ärkasite täna hommikul pigem terve kui haigena, olete rohkem õnnistatud kui need miljonid inimesed, kes selle nädalaga hakkama ei saanud.

Kui teie külmkapp on täis toitu, kui teie tooli seljatoel ripuvad riided ja kui teil on katus pea kohal, siis olete rikkam kui 75% meie planeedi elanikkonnast.

Kui teie rahakotis on raha või teil on pangakonto, kuulute planeedi 8% rikkaimate inimeste hulka.

Kui vaatate naeratades taeva poole ja tänate Providence'i siiralt, saate õnnistuse. Enamik inimesi saab seda teha, kuid enamik neist mingil põhjusel ei tee.

Kas teil on kunagi olnud idee uue toote või teenuse kohta, kuid te pole selle elluviimiseks midagi ette võtnud? Võib-olla oli see idee uuest laste mänguasjast või uuest šampoonist või uuest seadmest, mis aitaks teatud rühma inimesi. Kas tegite midagi selle idee ellu viimiseks? Kui ei, siis miks mitte?

Vaatame seda teemat teisest küljest. Kas olete kunagi palunud abi kõrgemalt jõult, kuid pole saanud soovitud tulemust? Kas olete kunagi midagi ette kujutanud ja pole saanud seda, mida ette kujutasite? Mis on teie arvates probleem?

Võtme olemuse mõistmiseks lubage mul selgitada teile, kuidas toimub meie ja universumi vaheline interaktsioon.

1. Universum (nimetage seda Jumalaks, kõrgemateks jõududeks, jumaluseks, elujõuks, nulliks, taoks või mis iganes soovite) saadab ja võtab vastu pidevalt sõnumeid. Ta annab sulle inspiratsiooni ja võtab sinult vastu taotlusi.

2. Seda suhtlust filtreerib meie hoiakute süsteem, mis kas julgustab meid midagi ette võtma või mitte.

3. Saadud tulemus on kahe esimese etapi tagajärg, pealegi sõltub selle hinnang ka meie seadistuste süsteemist.

Nagu Suzanne Burnsi loodud pilt viitab, on Universum (või Jumal või mis iganes kõrgemate jõudude nimetus) valmis sinu taotlusi vastu võtma ja innukalt sulle sõnumeid saatma. See interaktsioon läbib teie seadete filtri. Lõpptulemus on see, mille saate tegelikkuses. Kuid kui muudate oma seadeid, saate vastavalt uue reaalsuse.

Näiteks kui teil on idee uue toote loomisest, tuleb see teile kingitusena Universumilt. Kuid pärast idee analüüsimist hindate seda. Võib-olla mõtlete: "Aga ma ei tea, kuidas seda rakendada" või "Aga kust ma raha saan?" Sellised hinnangud ja kahtlused on teie hoiakute tulemus. Ja need hoiakud peatavad teid. Selle tulemusena ei loo te uut toodet. Ja hiljem avastad tegelikult, et keegi teine ​​on sinu idee ellu viinud. Seetõttu ütlen alati: "Universum armastab kiirust." Ta saadab uue toote või teenuse idee korraga mitmele inimesele, teades, et enamik neist ei võta midagi ette. Edu tuleb neile, kes tegutsevad.

Mis siis, kui palute Universumilt abi? Ta on alati olemas, valmis kuulama ja taotlusi täitma. Kuid sageli, kui ta püüab sind aidata, takistavad teda sinu enda hoiakud. Näiteks võite paluda universumil kohtuda ideaalse inimesega, kellega soovite abielluda. Universum kuuleb teie taotlust ja püüab teid suunata inimrühma poole, kelle seas saate oma ideaali täita. Kuid veenate end mitte kuhugi minema selliste asjadega nagu "Aga ma olen nendega varem kohtunud" või "Keegi ei taha mind näha, sest ma olen ka (valige oma valik)."

Universum on valmis teid aitama, kuid teie takistate endal edu saavutamast.

On väga oluline mõista, et teie maailmas tegutsevad hoiakud ei ole suure tõenäosusega teadlikud. Teil on nii teadlikud kui ka alateadlikud hoiakud. Mida vähem teadlik on suhtumine, seda tugevam see on. Hoiakutest saavad programmid, mis juhivad teie elu. Enda puhastamiseks peate vabanema oma sügavaimatest hoiakutest. Samal ajal hakkab Universum tööle nii, nagu on näidatud joonisel.

Selle tulemusena elate maailmas, mis on teie hoiakute tulemus. Tulemuse muutmiseks peate muutma oma alateadlikke hoiakuid. Need on need, millest tuleb puhastada. Ja veel kord kordan, et puhastamine on kadunud saladus, et meelitada seda, mida soovite.

See on Võti.

Raamatust Ise olemise kunst autor Levi Vladimir Lvovitš

SEE ON KOGUTUD UNIVERSUM Jumal teab, kui palju tundeid, oletusi, ideid meis elavad, uinuvad ja hääbuvad, jäädes “kokkuvarisetuks”, mitte jõudma “tippu”. “Elu” aeg konkreetse idee, tunde, mõtte vms teadvuses on lihtne kehtestada; alateadvuses on aeg

Raamatust Geopsychology in Shamanism, Physics and Taoism autor Mindell Arnold

Navaho universum Paljude loomismüütide aluseks on idee, et universum loodi mingi otsese teadlikkuse kaudu, mis oli projitseeritud jumalatele või teistele olenditele. Nagu füüsika võrrandid, räägivad põlisrahvaste loomise müüdid

Raamatust 48 kinnitust enesekindluse tugevdamiseks autor Pravdina Natalia Borisovna

Raamatust Tsivilisatsioonikriisid universaalse ajaloo kontekstis [Sünergetika – psühholoogia – prognoosimine] autor Nazaretjan Hakob Pogosovitš

Raamatust Ärkav teadvus. 4 sammu eluni, millest unistad autor Vitale Joe

Ühislooming: Sina ja universum Joe: Siiski on võtmetähtsusega idee tegutsemisvajadusest, mida just tsiteerisid. Liiga paljud inimesed ei tee midagi: nad lihtsalt istuvad, visualiseerivad, mediteerivad, panevad palveks käed kokku ja pomisevad midagi hinge all. Nad

Raamatust Absoluutse naiselikkuse saladus autor de Angelis Barbara

Kirg ja universum Me elame väga kirglikus universumis. Kui vaatate hoolikalt ringi, näete, et kes iganes meie füüsilise maailma lõi, tegi seda suure kirega. Loodus on oma ilmingutes helde ja mitmekesine ning see viitab sellele

Raamatust Tuhande näoga kangelane autor Campbell Joseph

1. Emauniversum Isa maailma loov vaim läheb maise kogemuse mitmekesisusse transformatsiooni vahendaja - maailma ema kaudu. Ta on ürgse elemendi personifikatsioon, mida mainitakse esimese 1. Moosese raamatu peatüki teises salmis, kus loeme: "Ja Jumala Vaim hõljus kohal

Raamatust Homo Sapiens 2.0 [Homo Sapiens 2.0 http://hs2.me] autor Sapiens Homo

Raamatust Homo Sapiens 2.0 autor Sapiens 2.0 Homo

Kui see töötab, siis toimib Inimese psüühika ja tema loodud mehhanismide vahel on palju ühist, kuid inimesed ei ole harjunud analüüsima oma tegevust nii põhjalikult kui mehhanisme. Sellega seoses on inimeste käitumises

Raamatust Manipulaator [Eduka inimmanipulatsiooni saladused] autor Adamtšik Vladimir Vjatšeslavovitš

Teie enda universumitest "Kas teil on meeldiv rääkida?" Paradoks: kui inimesele meeldib suhelda, ei tähenda see, et temaga on meeldiv rääkida! Soovitan teil end igaks juhuks testida - selleks vastake küsimustele: 1. Kas sulle meeldib rohkem kuulata kui rääkida?2. Sina

Raamatust Enesevabastusmäng autor Demchog Vadim Viktorovitš

24. Iseorganiseeruv universum ehk ISETAASTEV! Või veel parem – ISEVABANEV! Ja see on kõige lõbusam, mis olla saab! Reaalsusteatri kõrgeim vaade ja kõrgeim tugevus Niisiis: „Elav organism on iseorganiseeruv süsteem! See tähendab, et ta

Raamatust Protsesside mõistmine autor Tevosjan Mihhail

Raamatust Ilma revolutsioonita. Töötame iseendaga, jäädes harmooniasse autor Michael Stevens

Killustunud universum Kui kõik universumis oleks üksteisest sõltumatu, ei muutuks midagi. Kaost ei tekiks. Puuduks suhtlus. Poleks üldse midagi. Kui universum koosneks tegelikult eraldi osadest, oleks igal "osal" oma elu.

Raamatust Intelligence: kasutusjuhised autor Šeremetjev Konstantin

Universum ootab. Vanamees püüdis kinni kuldkala ja avas just suu ning naine ütles talle: "Lõpeta nalja, Hottabych!" Niipea, kui hakkate oma intellekti arendama, mõistate peagi, et probleemid, millega enamik inimesi silmitsi seisavad on probleemid teadmatusest, st.

Raamatust Quantum Mind [Füüsika ja psühholoogia vaheline piir] autor Mindell Arnold

Raamatust Alateadvuse võti. Kolm võlusõna – saladuste saladus autor Anderson Ewell

Elav universum Üks teadvus, see algpõhjus, see lõpmatu energeetiline substants – see on see, millest kõik koosneb. Puhtal kujul võib seda kujutada omamoodi infoliikumisena, mida võiks täpsemalt nimetada seaduseks. Selle põhiline

Praegune lehekülg: 1 (raamatul on kokku 18 lehekülge) [saadaval lugemislõik: 5 lehekülge]

Sergei Parnovski
Kuidas universum töötab: Sissejuhatus kaasaegsesse kosmoloogiasse

Teaduslik toimetaja Anatoli Zasov

Toimetaja Anton Nikolsky

Projektijuht D. Petuškova

Korrektorid M. Milovidova, M. Savina

Arvuti paigutus E. Kukaleva

Kaanekujundus S. Khozin

Illustraator I. Žuk


Väljaanne valmis koostöös mittetulunduslike algatuste sihtasutusega Trajectory (N.V. Katoržnovi rahalisel toel).



Sihtasutus Teadus-, Haridus- ja Kultuurialgatuste Toetamiseks Trajektor (www.traektoriafdn.ru) loodi 2015. aastal. Sihtasutuse programmide eesmärk on äratada huvi teaduse ja teadusuuringute vastu, viia ellu haridusprogramme, tõsta intellektuaalset taset ja loomingulist potentsiaali. noorte, kodumaise teaduse ja hariduse konkurentsivõime tõstmine, teaduse ja kultuuri populariseerimine, kultuuripärandi säilitamise ideede propageerimine. Sihtasutus korraldab haridus- ja populaarteaduslikke üritusi kogu Venemaal ning edendab edukate suhtlemispraktikate loomist haridus- ja teadusringkondades.

Kirjastusprojekti raames toetab sihtasutus Trajektor Vene ja välismaise populaarteadusliku kirjanduse parimate näidete väljaandmist.


© Parnovsky S., 2017

© Väljaanne vene keeles, tõlge, kujundus. Alpina Non-Fiction LLC, 2018


Kõik õigused kaitstud. Teos on mõeldud eranditult erakasutuseks. Selle raamatu elektroonilise koopia ühtki osa ei tohi avalikuks või kollektiivseks kasutamiseks ilma autoriõiguse omaniku kirjaliku loata reprodutseerida mis tahes kujul ega vahenditega, kaasa arvatud postitamine Internetti või ettevõtte võrkudesse. Autoriõiguste rikkumise eest näeb seadus ette hüvitise maksmise autoriõiguse omanikule kuni 5 miljoni rubla ulatuses (haldusõiguserikkumiste seadustiku artikkel 49), samuti kriminaalvastutuse kuni 6-aastase vangistuse. aastat (Vene Föderatsiooni kriminaalkoodeksi artikkel 146).

* * *

Eessõna

Raamat kirjeldab kosmoloogia – Universumi teaduse kui terviku – ajalugu ja hetkeseisu. See on pühendatud kosmoloogia põhiideede kirjeldustele: paisuv universum, selle tekkimine Suure Paugu ajal, evolutsioon, iseloomulikud suurused jne. Püüdsime vastata paljudele nendel teemadel korduma kippuvatele küsimustele. Räägime üksikasjalikult kahest tänapäeva teaduse mõistatusest, mis on otseselt seotud kosmoloogiaga – tumeainest ja tumeenergiast.

See raamat erineb enamikust mitteilukirjanduslikest raamatutest. Nende kirjutamise kuldreegel on: iga valem tekstis vähendab potentsiaalsete lugejate arvu poole võrra. Siiski kasutasime võimalust ja kasutasime võrrandeid, kuid ainult seal, kus neid vaja on. Püüdsime vähendada valemite arvu miinimumini ja teha need võimalikult lihtsaks, arusaadavaks kõigile, kes instituudis matemaatikat või füüsikat õppisid. Valemid on kogutud spetsiaalsetesse jaotistesse, mis on sisukorras tärnidega tähistatud kui "Täiustatud materjal" ja neid tuleks sellisena käsitleda. Lisaks on need tekstis märgitud Albert Einsteini kujutisega.



Nende vahelejätmine ei takista teil materjalist arusaamist, kuid põhitekstis on nendele jaotistele mitmeid viiteid, seega soovitame need vähemalt üle vaadata. Iga selline osa algab lühikese kokkuvõttega. Need osad on omamoodi lihtsaks kosmoloogiaõpikuks neile, kes ei ole kursis üldrelatiivsusteooria (edaspidi GTR) matemaatilise aparatuuriga, kuid tahaksid mõista, kust kosmoloogia seadused pärinevad.

Ülejäänud osa raamatust on mõeldud laiemale publikule, kuigi eeldab matemaatika- ja füüsikateadmiste minimaalset taset. Neil, kellel pole astronoomiast isegi algteadmisi, soovitame tungivalt lugeda mitut populaarset astronoomiaalast raamatut. Esimesena pakume Isaac Asimovi 1969. aastal valminud teost “Universum: From the Flat Earth to Quasars”, mis on küll mõnevõrra vananenud, kuid selle kompenseerib teksti kergus ja selgus. Muud lugemissoovitused on loetletud jaotise Järeldused lõpus.

Püüdsime materjali esitada populaarteaduslikule kirjandusele omaste lihtsustusteta ning selgitada, mille alusel tehakse kosmoloogias teatud oletusi või hinnanguid. Nendes küsimustes, kus kaasaegne kosmoloogia seisab silmitsi probleemidega, me mitte ainult ei varjanud neid, vaid, vastupidi, pöörasime neile suuremat tähelepanu. Sama kehtib ka olukordade kohta, mille kohta teadlastel puudub selge arvamus. Me ei püüdnud hüpoteese edasi lükata kui väljakujunenud teooriaid, nagu sageli juhtub. Teatud mõttes asub see raamat kusagil populaarteadusliku raamatu ja õpiku vahepeal, olles omamoodi sillaks üle kuru, mis eraldab populaarteadust tõelisest teadusest.

Raamat põhineb monograafial “Sissejuhatus kaasaegsesse kosmoloogiasse” [Parnovsky, Parnovsky, 2013], mis võeti oodatust palju laiema publiku poolt hästi vastu. Oleme materjali üle vaadanud, võttes arvesse lugejate küsimusi ja soove ning püüdnud selgitada kõiki meie kasutatavaid teadustermineid.

1. peatükk
Universumi seadused

1.1. Kosmoloogia päritolu

See raamat on pühendatud kosmoloogiale – teadusele universumi kui terviku ehitusest ja arengust, selle minevikust ja tulevikust. Kosmoloogia ei ole lihtsalt noor, vaid väga noor teadus; ta oli vaid 100-aastane. Selle ilmumist seostatakse Albert Einsteini teose "Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie" ilmumisega 1917. aastal. 1
Venekeelne tõlge ilmus pealkirja all “Kosmoloogia ja üldrelatiivsusteooria küsimused” raamatus: Einstein A. Kogutud teosed 4 köites T. 1. – M.: Nauka, 1965. Lk 601–612.

Selles rakendati füüsikaseadusi esimest korda kogu universumile korraga. Täpsemalt, me rääkisime üldrelatiivsusteooria võrranditest, mille Einstein hiljuti avastas.

Põhimõtteliselt ei takistanud miski selle teaduse ilmumist 250 aastat varem, vahetult pärast seda, kui Isaac Newton avastas universaalse gravitatsiooniseaduse. 17.–19. sajandi füüsikud. rääkis lõpmatust universumist, mis on täidetud tähtedega, mille ümber planeedid tiirlevad. Selline universum eksisteeris igavesti ja selle tulevase oleku ennustamiseks oli vaja ainult teadmisi mehaanikaseadustest ja kõigi objektide hetkeasendist. Universaalsel gravitatsioonijõul klassikalises mehaanikas on aga üks eripära: see on alati külgetõmbejõud, mis ei muutu kunagi tõukejõuks. Seetõttu peaksid lõpmatu universumi üksikud tähed vastastikuse tõmbejõu mõjul lõpuks kokku tulema. Vastastikuse külgetõmbe küsimus lahendati lihtsa, kuid ebaõige arutluskäigu abil: kuna Universum on lõpmatu, siis allub iga osake lõpmatu arvu teiste osakeste tõmbejõule. Kui eeldada, et osakesed täidavad Universumi konstantse tihedusega, võime järeldada, et kogujõud on kompenseeritud, mistõttu võib Universumi kui terviku dünaamikat arvesse võttes jätta gravitatsioonilise külgetõmbe tähelepanuta.

See idee sarnaneb pliiatsi juhtme otsa asetamisega. Mõlemal juhul on probleemi põhjuseks tasakaalu ebastabiilsus. Isegi kui meil õnnestub pliiats kuidagi vertikaalselt asetada juhtme teravale otsale, siis iga väike kõrvalekaldumine vertikaalist põhjustab jõumomendi, mis kallutab pliiatsi samas suunas, suurendades kõrvalekallet ja rikkudes täielikult esialgse tasakaalu. Inseneritöös nimetatakse seda positiivseks tagasisideks.

Veelgi lähem analoogia hõlmab vett tagurpidi klaasis. Paljudele on tuttav klassikaline eksperiment, kus postkaardi või paksu papiga kaetud veeklaas pööratakse tagurpidi ja vett hoitakse klaasis atmosfäärirõhuga, mis on võrdne 10,3 m vee rõhuga. Kuid vähesed inimesed mõtlevad, miks on selle kogemuse jaoks pappi vaja. Põhjuseks on Rayleigh-Taylori ebastabiilsus: kui tihedam vedelik (vesi) asetatakse vähem tiheda (õhk) kohale. 2
Hüdrodünaamikas nimetatakse gaase sageli ka vedelikeks.

), mis tahes pinna kõrvalekalded tasasest pinnast kasvavad aja jooksul eksponentsiaalselt, hävitades piiri väga kiiresti. Protsessi nimetatakse tavaliselt vedeliku valamiseks. Seetõttu on demonstratsiooniks vaja pappi: see ei mõjuta kuidagi õhurõhku, ei tekita jõude, vaid fikseerib vee ja õhu liidese kuju, takistades Rayleigh-Taylori ebastabiilsuse teket.

Samamoodi moodustuvad ebastabiilses universumis juhuslikult suurenenud tihedusega piirkonnad, mille poole hakkavad liikuma naabertähed ja vähendatud tihedusega piirkonnad, mida nimetatakse tühimikeks. Pange tähele, et lõpmatut Universumit täitvate tähtede vastastikune külgetõmme toob kaasa mitte ainult tihedushäirete suurenemise, vaid ka kogu universumi kiirenenud kokkusurumise, st tähtede vahekauguste vähenemise.

Loomulikult teadsid teadlased, et kõrvalekalded ainetiheduse ühtlasest jaotusest viisid selleni, et ebahomogeensused hakkasid aja jooksul kasvama, kuid tol ajal arvestati seda mehhanismi ainult skaalal, mis ei ületanud Päikesesüsteemi suurust. Laplace’i hüpoteesi järgi tekkisid Päikesesüsteemi planeedid algsest gaasi- ja tolmuudukogust just vastastikuse gravitatsioonilise külgetõmbe mõjul. Samasugust arutluskäiku ei rakendatud suurtes mastaapides. Vaadeldaval maailmapildil viis aine tiheduse ebahomogeensuste kasv planeetide tekkeni, mis ei langenud Päikesele ainult seetõttu, et nad tiirlesid ümber selle. Lähimate tähtede kaugusega võrreldavatel kaugustel peeti Universumit juba millekski homogeenseks ja arvati, et mis tahes keha külgetõmbejõud erinevate tähtede suhtes on täielikult kompenseeritud.

Seda roosilist pilti rikkus nn Olbersi paradoks, mille sõnastas 1823. aastal saksa amatöörastronoom Heinrich Olbers, elukutselt arst. Selle olemus seisnes selles, et lõpmatus muutumatus universumis näeksime öise taeva asemel kuuma taevasfääri, mis helendab nagu Päikese pind. Seda seletatakse järgmiselt: kui jagame universumi kontsentrilisteks konstantse paksusega sfäärilisteks kestadeks, mille keskel on Maa, siis on igast kestast Maale langev valgusvoog sama, kuna tähtede arv need suurenevad proportsionaalselt kauguse ruuduga, mis kompenseerib sarnase teguri valgustuse valemis. Kuna kihtide arv on lõpmatu, on kogusumma lõpmatu. Ainus põhjus, miks valgustus on endiselt piiratud, on see, et lähemal asuvad tähed varjavad kaugeid tähti. Teisisõnu, ükskõik mis suunas me ka ei vaataks, varem või hiljem peab meie vaateväli mõne tähe otsa komistama.

Sellegipoolest teab igaüks meist väga hästi, et öösel vaadeldakse täiesti erinevat pilti. Olbersi paradoksi lihtsa lahendusena on välja pakutud variant, kus kaugete tähtede valgust neelavad tähtedevahelise tolmu pilved, kuid see lahendus kõlab veenvalt vaid neile, kes füüsikat ei tunne. Pika aja jooksul kuumeneb see kiirgust neelav tolm ümbritsevate tähtede temperatuurini ja muutuks ise helendavaks objektiks.

Aja jooksul viis astronoomia areng William Herscheli 18. sajandi lõpus välja pakutud universumi mudelini. Selles ei täitnud tähed kogu universumit, vaid moodustasid ühe täheparve, mida nimetatakse galaktikaks ja millel oli läätsekujuline kuju. Sellega seoses tekkis küsimus: miks tähed ei lange Galaktika keskmesse? Vastus oli sama lihtne kui vastus küsimusele, miks planeedid ei lange Päikese sisse: nad tiirlevad ümber selle. Samamoodi tiirlevad selle keskpunkti ümber Galaktika üksikud tähed. Päikese liikumise Galaktika keskpunkti suhtes avastas sama Herschel aastal 1783. Väikeste täpsustustega peeti seda universumipilti üldtunnustatud kuni 20. sajandi alguseni. Galaktika idee lahendas Olbersi paradoksi, kuna ainel oli nüüd universumis piiratud maht. Kuid pärast teiste galaktikate avastamist muutus Olbersi paradoks taas aktuaalseks.

Seega ilmus kosmoloogia, mis võis potentsiaalselt tekkida 17. sajandi lõpus, alles 20. sajandi alguses. ja tähistas hiljuti oma sajandat sünnipäeva. Kosmoloogia esilekerkimine on seotud ühe üllatava asjaoluga: tavaliselt ilmuvad uued teadused kõige lihtsamas sõnastuses ja liiguvad siis nende arenemise käigus edasi keerukamate mudelite, arvutuste juurde ning kasutavad üha kaasaegsemaid füüsikateooriaid. Näiteks tahkisfüüsika kulutas sajandeid klassikalisel füüsikal põhinevate tulemuste saamiseks ja alles siis hakkas kvantmehaanikat edukalt kasutama.

Kosmoloogia ilmus kohe oma kõige keerulisemas versioonis – üldrelatiivsusteoorial põhineva relativistliku kosmoloogia kujul. Alles aastakümneid hiljem avastasid kosmoloogid suureks üllatuseks, et võiks kaaluda palju lihtsamat mitterelativistlikku kosmoloogiat. Fakt on see, et homogeenne universum areneb kõigis oma osades võrdselt ja selle arengu kui terviku uurimiseks piisab väikese ruumipiirkonna, näiteks 1 cm³, arengu uurimisest. Ja 1 cm³ uurimisel pole aegruumi kõverus ja muud keerulised üldrelatiivsusteooria küsimused enam olulised.

Kuid see kehtib ainult homogeense ja isotroopse universumi puhul. Sellises maailmas pole valitud kohta ega eelistatud suunda, ükski punkt pole parem ega halvem kui ükski teine ​​ega ükski suund pole parem ega halvem kui ükski teine. Seda ideed tuntakse Koperniku põhimõttena. Kuigi mitterelativistliku kosmoloogia raames ei ole võimalik saada kõiki relativistliku kosmoloogia tulemusi, tuletatakse põhimõisted üsna lihtsalt. Nende tuletamiseks, mõistmiseks ja analüüsimiseks piisab füüsikateadmistest ülikooli nooremal tasemel. Seetõttu piirdusime raamatus juhtudel, kui me lihtsalt ei suutnud mõne valemi kirjutamise soovile vastu panna, mitterelativistliku kosmoloogiaga.


küsimus: Mille poolest erineb kosmoloogia põhimõtteliselt teistest teadustest?

Vastus: Sest see uurib ainulaadset, ainulaadset, ajas muutuvat objekti, mille osa me oleme. Selle tulemusena ei saa rääkida korratavusest ega reprodutseeritavusest, veel vähem aktiivsetest katsetest. Sellega seoses on väga raske kohaldada võltsivuse kriteeriumi kosmoloogilistele teooriatele, mille täitmist nõutakse mis tahes teadusteooriatelt. Sarnane olukord esineb ka mõnes teises teadusharus, näiteks ajaloos ja evolutsioonibioloogias.

1.2. Üldrelatiivsusteooria põhimõtted

Kosmoloogiateaduse tekkele eelnes üldrelatiivsusteooria esilekerkimine, mille sõnastas lõpuks Einstein aastal 1916. See teooria on üks kaasaegse füüsika tippe. Kuna selle ideid ja terminoloogiat kasutatakse kosmoloogias laialdaselt, otsustasime kirjeldada üldrelatiivsusteooria põhitõdesid, millest on üsna lihtne aru saada ja mida saab seletada ilma keerulist matemaatikat kasutamata. Alustame üldrelatiivsusteooria kolme klassikalise efektiga.

1.2.1. Periheeli pretsessioon

Esimese efekti avastasid astronoomid ammu enne üldrelatiivsusteooria tulekut. See on pretsessioon 3
Periheeli pretsessioon on heliotsentrilise orbiidi (orbiit ümber Päikese) väga aeglane pöörlemine oma tasapinnal.

Periheel 4
Periheel on heliotsentrilise orbiidi punkt, mis on Päikesele kõige lähemal.

Merkuur, mis väljendub Merkuuri kui terviku orbiidi pöörlemisena ümber Päikese väga väikese nurkkiirusega – vähem kui 6 kaaresekundit aastas. See ei olnud esimene avastatud kõrvalekalle taevamehaanika lihtsamatest seadustest pärast nende avastamist Johannes Kepleri poolt. Varem, 19. sajandi keskel, seletati Uraani orbiidi sarnast käitumist edukalt tol ajal tundmatu planeedi, hilisema nimega Neptuun, gravitatsioonimõjuga.

Üks Neptuuni ennustajatest Urbain Le Verrier rakendas sama lähenemist Merkuuri orbiidile, vihjates uue planeedi Vulcan olemasolule, mis peaks asuma Päikesele väga lähedal ja olema selle valguses peidus. Pärast seda ennustust teatasid nii professionaalsed kui ka amatöörastronoomid mitu aastakümmet selle hüpoteetilise planeedi läbimise jälgimisest üle päikeseketta, kuid pärast teleskoopide täiustamist leiti, et need teated olid ekslikud. Nüüd teame, et planeeti Vulcan pole olemas ja seda teati peaaegu kindlasti juba 100 aastat tagasi. Seega tuli kuidagi seletada Merkuuri orbiidi pöörlemist.

Üldrelatiivsusteooria ei selgitanud mitte ainult Merkuuri periheeli pretsessiooni, vaid andis ka täpse kvantitatiivse kokkuleppe teooria ja vaadeldud pretsessioonikiiruse vahel. Pärast vaatluste täpsuse edasist parandamist avastati Veenuse periheeli sarnane pretsessioon, mis koos teiste allpool kirjeldatud efektidega kinnitab üldrelatiivsusteooria õigsust. Selle tulemusena andis Rahvusvaheline Astronoomialiit (IAU), maailma kõrgeim astronoomiaamet, välja määruse, millega nõuti Päikesesüsteemi taevakehade orbiitide täpsetel arvutustel arvesse võtma üldrelatiivsusteooria mõju.

Veelgi muljetavaldavam pretsession, antud juhul periastron (tähele lähim orbiidi punkt), on binaarsete pulsaride süsteemides. 5
Pulsar on tugevalt magnetiseeritud pöörlev neutrontäht, mis kiirgab elektromagnetilist kiirgust suunas, mis pöörleb koos tähega. Väljastatud kiirgust saab jälgida ainult siis, kui kiir on suunatud Maa poole ja tuvastatakse seega impulsside jadana.

Sel juhul pöörlevad kaks massiivset keha mitmepäevase perioodiga üksteisest väikese vahemaa kaugusel. Üldrelatiivsusteooria kirjeldab nende liikumist 0,01% täpsusega, samas kui gravitatsioonilainete kiirguse tõttu täheldatakse energiakadusid. Russell Alan Hulse ja Joseph Haughton Taylor juunior said 1993. aasta Nobeli füüsikaauhinna selliste süsteemide avastamise eest.

1.2.2. Valguse kõrvalekalle

Teine efekt on valguskiirte painutamine massiivsete objektide gravitatsiooniväljas. See kumerus iseenesest ei olnud ootamatu ja on Newtoni mehaanika raames igati mõistetav. Kuid üldrelatiivsusteooria ennustatud valguse kõrvalekalde nurk oli kaks korda suurem kui Newtoni oma. Selle koefitsiendi põhjust käsitletakse allpool alajaotises 1.3.2.

Tollal oli nähtus puhtalt spekulatiivne, kuid mainitud kõrvalekaldenurkade erinevus võimaldas välja selgitada, milline teooria seda efekti õigesti kirjeldas, ja sundis astronoome mõõtma selle suurust. Selleks oli vaja mõõta tähe asukohta, mille valgus levis Päikese lähedal ja kaldus oma gravitatsiooniväljas kõrvale, nihutades tähe näivat asendit taevas. Tänapäevase täpsusega saab seda efekti mõõta isegi Päikesega risti olevas suunas, kasutades väga pika baasjoone raadiointerferomeetrit (VLBI), kuid 20. sajandi alguses. seda sai mõõta vaid väga väikesel taevaalal Päikese ümber.

Seda tegi Sir Arthur Eddingtoni ekspeditsioon, mis mõõtis tähtede asukohti 1919. aasta täieliku päikesevarjutuse ajal. Täielik päikesevarjutus oli vajalik, sest sel ajal said astronoomid teha vaatlusi ainult nähtavas valguses ja Päikese valgus oli on teinud võimatuks tähtede vaatlemise selle ketta läheduses. Eddington ja tema kolleegid viisid vaatlusi läbi Brasiilias ja Aafrika läänerannikul. Võrreldes päikesevarjutuse ajal Päikese lähedal asuva taeva ja Päikesest kaugel asuva sama ala taevast, mõõdeti läbipaindenurk, mis ühtis Einsteini ennustusega. Need vaatlused ei olnud ikka veel piisavalt täpsed, kuid olukord paranes oluliselt pärast raadioteleskoopide tulekut.

Valguse painde mõju on aluseks nn gravitatsioonilisele läätsele, mille puhul vaadeldakse mitut pilti samast objektist. Seda uuritakse aktiivselt ja kasutatakse isegi äärmiselt kaugete objektide mittestandardse vaatluse vahendina. Seda käsitleme alapeatükis 4.2.7.

1.2.3. Gravitatsiooniline punanihe

Kolmandat efekti nimetatakse gravitatsiooniliseks punanihkeks 6
Punane nihe tekib lainepikkuse suurenedes. Vastupidist efekti nimetatakse siniseks nihkeks. Nimetused tulenevad asjaolust, et punasel valgusel on pikemad lainepikkused kui sinisel, kuigi mõlemad mõisted kehtivad mis tahes elektromagnetilise kiirguse sagedusvahemiku kohta, mitte tingimata nähtava valguse kohta.

Ja kirjeldab aja kiiruse erinevust erineva gravitatsioonipotentsiaaliga punktides 7
Gravitatsioonipotentsiaal on kompaktse keha potentsiaalne energia gravitatsiooniväljas, arvutatuna selle massiühiku kohta. Just see väärtus määrab aja kiiruse nõrkades gravitatsiooniväljades.

Jämedalt öeldes möödub aeg hoone viimasel korrusel kiiremini kui selle keldris. See on sageduse muutuse põhjus. Las keldris asuv allikas edastab näiteks 1000 signaali sekundis. Need püüab katusel olev vastuvõtja kinni, kuid vastuvõtja jaoks on sekundid erineva kestusega, nii et oma sekundi jooksul saab ta mitte 1000, vaid näiteks 999 signaali. Teisisõnu, sagedust vastuvõtjas nihutatakse allika sageduse suhtes.

Astronoomid on täheldanud gravitatsioonilisi punanihkeid valgete kääbuste emissioonispektrites, eriti Sirius B-s, mis sisaldab ligikaudu Päikese massi Maa ruumala piires. Selle tulemusena ületab gravitatsioonipotentsiaal selle pinnal oluliselt Päikesesüsteemis täheldatud maksimumväärtusi.

Seda efekti demonstreerisid laboris ka Robert Pound ja Glen Rebka 1959. aastal. Nad struktureerisid oma eksperimendi kvantmehaanika põhiidee ümber, et ergutada aatom põhiolekust. 8
Põhiseisund on minimaalse energiaga aatomi olek. Mis tahes muud olekut peale peamise nimetatakse erutuseks.

See peab neelama footoni täpselt sama energia või lainepikkusega, kui ergastatud aatom kiirgab põhiolekusse üleminekul 9
Seda hoiab ära footoni kiirgava aatomi tagasilöögienergia, kuid see puudus katses Moesbaueri efekti kasutamise tõttu, mis avastati vahetult enne neid katseid.

Kui miski (meie puhul gravitatsiooniline punanihe) muudab, kasvõi veidi, footoni energiat või lainepikkust, kui see liigub ühelt aatomilt teisele, siis footon ei neeldu. Kuid see võib siiski neelduda, kui vastuvõtja aatom liigub nii, et Doppleri efektist tulenev lainepikkuse muutus 10
Doppleri efekt on perioodiliste signaalide sageduse nihe, mis on põhjustatud allika või vastuvõtja või mõlema liikumisest ja signaali levimise piiratud kiirusest. Vastupidiselt levinud arvamusele ei kehti see mitte ainult lainete, vaid ka mis tahes perioodiliste signaalide kohta. Kui allikas ja vastuvõtja liiguvad teineteise poole, siis vastuvõtja tuvastatud sagedus suureneb, teineteisest eemaldudes aga väheneb.

Kompenseerib gravitatsioonilisest punanihkest tingitud lainepikkuse muutusi.

Niisiis asetasid Pound ja Rebka ühe raudplaadi keldrisse, teise kinnitasid katusel oleva valjuhääldi koonuse külge ja mõõtsid kõlari faasi, kus keldris ergastatud rauaaatomite tekitatud gamma voog neeldus kõige tugevamini rauda. aatomid katusel. See võimaldas neil arvutada footoni energia muutuse, mis on tingitud gravitatsioonipotentsiaali erinevustest või ajakiirusest katusel ja keldris. Nende tulemused olid kooskõlas üldise relatiivsuse ennustusega 10% vea piires.

Seda efekti testiti täiendavalt katsega Gravity Probe A 1976. aastal, kui raketile pandi vesinikmaser ja seda kasutati äärmiselt stabiilse sageduse ostsillaatorina. Identne maser toetus maapinnale. See katse kinnitas üldrelatiivsusteooria olemasolu ja vastavust gravitatsioonilise punanihkega veaga 0,01%. Tänapäeval arvestatakse gravitatsiooni punanihet tavaliselt siis, kui on vaja täpseid ajamõõtmisi: näiteks GPS-i ja teiste navigatsioonisatelliitide kasutamisel. Astronoomid võtavad seda arvesse ka maa aja, geotsentrilise aja ja barütsentrilise aja määramisel, mille IAU võttis kasutusele 1991. aastal, mis tähistavad aega vastavalt merepinnal, Maa keskpunktis ja barütsentrilises ajas. 11
Barütsenter on gravitatsiooniga seotud süsteemi üldine massikese.

Päikesesüsteem.