|
Global Lithuanian Net: san-taka station: |
|
Besiplečianti Visata
Giedrą naktį danguje matome daugybę žvaigždžių. Žemei skriejant aplink Saulę atstumai tarp kai kurių nežymiai kinta mat jos gerokai arčiau už kitas. Tai leidžia išmatuoti atstumą iki jų vadinamuoju paralakso metodu. Žvaigždžių ypač tanku juostoje, kurią vadiname Paukščių taku. Dar 1750 m. kai kurie astronomai spėjo, kad jis yra disko pavidalo darinys (šiandien tai vadiname spiraline galaktika). Po kelių dešimtmečių tai patvirtino V. Heršelis, tačiau toji samprata įsitvirtino tik 20 a. pradžioje. Šiuolaikinį Visatos vaizdą turime tik nuo 1924 m., kai E. Hablas įrodė, kad mūsų galaktika ne vienintelė. Įrodymui reikėjo išmatuoti atstumus iki kitų galaktikų. Paralakso metodas netiko, tad Hablui teko naudoti netiesioginis metodus, pagal žvaigždžių šviesumą (apie matavimus žr. >>>>>). Taip jis paskaičiavo atstumus iki 9 galaktikų. Daugeliui žvaigždžių mes tegalim stebėti tik vieną jų savybę tai spalva. Dar I. Niutonas nustatė, kad perėjusi per prizmę šviesa išsiskleidžia į spektrą. Taip galime gauti ir žvaigždžių ar galaktikų spektrus, kurie skiriasi, tačiau skirtingų spalvų intensyvumo skirtumai visada tokie pat kaip ir skleidžiamame iki raudonumo įkaitusio kūno. Tad žvaigždės temperatūrą galime nustatyti pagal jos spektrą. Be to, kai kurių spalvų išvis nebūna kai kurioms žvaigždėms iš to galima nustatyti, kokie cheminiai elementai yra žvaigždžių atmosferoje. Ėmus tirti galaktikų spektrus 3-me dešimt. aptikda ir kai kas keistesnio: spektrai buvo vienodai pasislinkę į raudonają pusę. Tam reikia pasiaiškinti Doplerio reiškinį1). Regima šviesa elektromagnetinio lauko bangos (svyravimai), kurių dažnis labai didelis nuo 400 iki 700 milijonų milijonų į sekundę. Skirtingus dažnius akis suvokia kaip skirtingas spalvas, kurių žemiausi dažniai yra raudonajame spektro gale, o aukščiausi violetiniame. Imkim šviesos šaltinį, kuris juda mūsų link. Skleidžiant kiekvieną naują bangą šaltinis bus vis arčiau mūsų, tad laikas, per kurį ji mus pasieks, bus mažesnis, o bangų kiekis iš jo pasiekiantis mus per sekundę didesnis. Šaltiniui tolstant viskas atvirkščiai. Tai reiškia, kad artėjančių šaltinių spektrai bus pasislinkę į violetinę pusę, o tolstančių į raudonąją. Su Doplerio reiškiniu susiduriame kasdien įsiklausykite į atvažiuojančios ir nuvažiuojančios mašinos garsą. Jį panaudoja policija matuodama automobilio greitį pagal atsispindėjusių radijo signalų poslinkį. Laikant, kad galaktikos juda chaotiškai, reikėjo tikėtis, kad į raudonąją pusę pasislinkusių spektrų yra maždaug tiek
pat, kiek į violetinę. Tačiau nuostabą sukėlė tai, kad dauguma galaktikų tolsta nuo mūsų! 1929 m. E. Hablas
nustatė, kad net raudonojo poslinkio dydis neatsitiktinis, o proporcingas atstumui iki galaktikos. Taigi, kuo toliau
galaktika, tuo sparčiau ji tolsta. O tai reiškia, kad Visata plečiasi! O dar A. Einšteinas, kurdamas
savo bendrąją reliatyvumo teoriją, buvo įsitikinęs statine Visatos būkle. Tad Einšteinas modifikavo savo
teoriją į lygtis įvesdamas vadinamąją kosmologinę konstantą. Jis įvedė naują antigravitacinę jėgą, kuri skirtingai nuo kitų sukeliama ne
kokio nors šaltinio, o yra paties erdvėlaikio savybe. Jis teigė, kad erdvėlaikis savaime plečiasi ir taip
kompensuojama materijos Visatoje tarpusavio trauka. Ir atrodo, kad tik vienas asmuo patikėjo BRT ir kol
Einšteinas ir kiti fizikai mąstė, kaip apeiti Visatos statiškumo problemą, A. Fridmanas užsiėmė jos aiškinimu.
Jis iškėlė dvi prielaidas: a) Visada atrodo vienodai, kokia kryptimi į ją bežiūrėtum; b) tai teisinga žvelgiant į ją iš kito taško. Ir iš jų įrodė, kad Visada negali būti statine ir taip 1922 m, keli metai iki E. Hablo atradimo, jis nuspėjo jo rezultatą. O vėliau paaiškėjo, kad Fridmano hipotezė užtikrina nepaprastai tikslų Visatos vaizdą. 1965 m. A. Penzias ir R. Vilsonas Bell Lab. Niu Džersio valst. bandė ypač jautrų mikrobanginį detektorių (mikrobangų dažnis tik dešimtys tūkstančių milijonų į sekundę) ir pastebėjo, kad registruojamo triukšmo lygis didesnis nei turėtų būti ir jisai sklido iš visų pusių. Pradžioje tyrinėtojai detektoriuje rado paukščių išmatų ir bandė triukšmą paaiškinti kitomis panašiomis priežastimis, tačiau vėliau visi tokie veiksniai buvo pašalinti. Jie žinojo, kad bet koks atmosferos sukeltas triukšmas visad stipresnis, kai detektorius nukreiptas ne aukštyn, o palinkęs, nes spinduliai turi praeiti storesnį oro sluoksnį, kol jį pasiekia. Tuo tarpu papildomas triukšmas visad buvo vienodas nepriklausomai nuo jo krypties tad jo šaltinis turėjo būti už atmosferos. Ir jis toks buvo ir dieną, ir naktį, ir bet kuriuo metų laiku, nepriklausomai nuo Žemės padėties orbitoje aplink Saulę. Tai reiškė, kad šaltinis nepaprastai toli, netgi už galaktikos ribų, nes kitaip jis būtų kitęs nes Žemei judant detektorius keitė savo padėtį. O jo vienodumas visomis kryptimis reiškė, kad Visata visur vienoda. Maždaug tuo pat metu netoliese esančiame Prinstono un-te B. Dikė2) ir Dž. Piblas3) irgi tyrinėjo mikrobangas, tikrindami Dž. Gamovo spėjimą, kad ankstyvoji Visata buvo labai karšta ir tanki. Jie išsakė mintį, kad galim stebėti ankstyvosios Visatos švytėjimą, nes tolimų sričių paskleista šviesa mus pasiekia tik dabar. Tačiau dėl Visatos plėtimosi jos raudonasis poslinkis toks didelis, kad pereina į mikrobangų sritį. Apie tai sužinoję A. Penzias su R. Vilsonu suprato, kad atrado CMB - ir už tai gavo Nobelio premiją (1978). O tai, kad atrodo, kad esam Visatos centre, ne visai teisinga, nes tą patį matytume ir iš kitos galaktikos. O tai jau antroji Fridmano prielaida. Pagal jo modelį visos galaktikos tolsta viena nuo kitos. Tik štai ruso Fridmano darbas liko nežinomas vakaruose ir tik 1935 m. amerikietis Hovardas Robertsonas4) ir anglų matematikas Artūras Volkeris5) pasiūlė panašius besiplečiančios Visatos modelius. Fridmanas nagrinėjo tik vieną modelį, tačiau jo prielaidas tenkina trys skirtingi modeliai. Pagal Fridmano modelį Visata plečiasi tiek gana lėtai tol, kol dėl gravitacinės traukos sulėtėja ir liaujasi plėstis, o vėliau ji ima trauktis. Antrajame modelyje Visata plečiasi taip sparčiai, kad gravitacinė trauka nepajėgi jo sustabdyti. Ir galiausiai trečiame modelyje Visatos plėtimosi vos pakanka, kad būtų išvengta jos sukritimo (kolapso). Galaktikos išsibėgioja, bet vis mažesniu greičiu, kuris niekad netampa lygus nuliui. Pirmasis Fridmano modelis nuostabus tuo, kad Visata nėra beribė erdvėje, tad pati erdvė iškeipta taip, kad yra apribota. Antrajame modelyje erdvė iškreipta kitaip ir primena balną, o pati yra beribė. Ir pagaliau trečiame modelyje erdvė yra plokščia ir beribė (žr. apie erdvės formas >>>>>). Tad kuris modelis tinka mūsų Visatai? Tam reikia žinoti Visatos plėtimosi spartą ir jos vidutinį tankį. Dabartinę plėtimosi spartą galima nustatyti matuojant kitų galaktikų tolimo nuo mūsų greitį. Tik atstumai iki jų nežinomi tiksliai. Težinom, kad visata per milijardą metų išsiplečia apie 5-10%. O apie jos tankį žinoma dar mažiau. Sudėjus visų stebimų galaktikų mases nebus ir vienos šimtosios tos masės, kurios būtina, kad Visata liautųsi plėstis. Tačiau joje turėtų būti daug tamsiosios, vizualiai nematomos materijos. Bet ir ją įtraukus gausime vos dešimtadalį sustabdymui reikalingos masės. Dar galima įtarti esant kitos rūšies materijos, tolygiai pasiskirsčiusios Visatoje, leidžiančios pasiekti kritinę masę. Tad pagal tuos duomenis atrodytų, kad Visata turėtų plėstis amžinai. Viena tikrai žinome, kad jei Visata ims trauktis, tai į tašką ji susitrauks ne greičiau nei per 14 mlrd. m., nes tiek metų po Didžiojo sprogimo ji plėtėsi. Tik štai, paskutiniai tyrinėjimai rodo, kad plėtimasis tik spartėja. Visose Fridmano modeliuose pradžioje Visata turėjo būti viename taške (singuliarume), kuriame negalioje visos dabartinės fizikos teorijos. Tame taške erdvės kreivumas begalinis, Tad jeigu iki tol ir vyko kažkas, tai pagal tai negalima nuspėti ateities. Kaip ir sužinoti tai, kad vyko iki Didžiojo sprogimo. Daug kam nepatinka mintis, kad laikas turi pradžią, nes tai pakiša mintį apie dievišką įsikišimą. Tad aišku, kad šios teorijos įsikibo Katalikų bažnyčia, 1951 m. paskelbusi, kad Didžiojo sprogimo teorija dera su Biblija. Vis tik egzistuoja keli bandymai išvengti Didžiojo sprogimo. Įtikinamiausias stabilios būsenos modelis, kurį 1948 m. pateikė iš nacių okupuotos Austrijos pabėgę H. Bondi ir T. Goldas6) bei anglas F. Hoilas. Anot jų, išsibėgiojusių Visatų vietoje nuolat susidaro nauja materija. Tam prireikė kiek modifikuoti BRT, tačiau materijos kūrimosi sparta (per metus viena el. dalelė kubiniame kilometre) tokia maža, kad nesukelia prieštaravimų. Apie 7-ojo dešimtm. slenkstį M. Railo7) vadovaujami astronomai sudarė radijo šaltinių katalogą. Paaiškėjo, kad didesnė jų dalis už mūsų galaktikos ribų, o silpnų šaltinių (laikytų tolimesniais) yra gerokai daugiau nei stiprių. Be to, ir tolimose srityse šaltinių tankis didesnis. Tai reikštų, kad esam centre plačios srities, kurioje radijo šaltinių gerokai mažiau nei kitur. Bet galima aiškinti ir kitaip: tolimoje praeityje šaltinių buvo gerokai daugiau. Abu tie aiškinimai prieštarauja stabilios būsenos teorijai, ir CMB nurodo praeityje buvus didesnį tankį. 1963 m. rusai E.M. Lifšicas8) ir I.M. Chalatnikovas9) išsakė mintį, kad Didysis sprogimas tėra Fridmano modelio ypatybe, o tie duoda tik apytikrį realios Visatos vaizdą. Juk iš tikro galaktikos netolsta tiksliai tiesiai, o veikia ir nežymios į šoną veikiančios jėgos. Tad nebūtina joms būti vienoje vietoje pakanka būti pakankamai arti viena kitos. Tad plėtimasis galėjo prasidėti iki susitraukimo į tašką (žr. apie Didįjį atšokimą). Tik vėliau jiedu nustatė bendresnę Fridmano modelių, turinčių singuliarumus, klasę ir 1970 m. savo teorijos atsisakė. Vis tik jų darbas svarbus tuo, kad nedavė atsakymo į klausimą: ar iš BRT seka, kad laikas privalo turėti pradžią. Atsakymą davė 1965 m. R. Penrauzas, kuris, besiremdamas šviesos kūgių elgsena BRT ir prielaida, kad gravitacinės jėgos visada veikia kaip traukos jėgos, parodė, kad žvaigždei susitraukiant veikiant savo gravitacijai, jos paviršiaus plotas galiausiai susitraukia iki nulio. Tad tas pats turi vykti ir su tūriu. O tada žvaigždės tankis ir erdvės kreivumas taps begaliniais turėsime juodąją skylę. Atrodytų, kad Penrauzo teorija taikoma tik žvaigždėms. 1970 m. S. Hokingas su R. Penrauzu paskelbė darbą, įrodantį, kad Didžiojo sprogimo singuliarumo taškas privalėjo egzistuoti. Tai pradžioje sukėlė nemažai prieštaravimų, tačiau su matematika nelabai pasiginčysi ir Didžiojo sprogimo teorija tapo dominuojančia. Tik vėliau S. Hokingo nuomonė pasikeitė ir jis pradėjo įtikinėti fizikus, kad pradžioje jokio ypatingo taško nebuvo tai seka, jei atsižvelgiama į kvantinius veiksnius. 1) Doplerio efektas - bangos dažnio ir ilgio kitimas, kai klausytojas arba šaltinis juda vienas kito atžvilgiu. Pirmą kartą pastebėtas 1842 m. Dažniausiai stebimas sklindant garsui, kai objektui artėjant ar tolstant girdimas aukštesnis ar žemesnis tonas. Tai panaudojama judančio objekto greičio matavimui (pvz., automobilių greičio radaruose). 2) Robertas Dikė (Robert Henry Dicke, 1916-1997) amerikiečių fizikas, prisidėjes prie astrofizikos, branduolinės fizikos, kosmologijos ir gravitacijos sričių, buvo vienu pirmųjų sukūrusių elektrinių grandinių su paskirstytais parametrais teoriją. Kartu su Dž. Piblu numatė kosminį mikrobangį spinduliavimą. 3) Džimis Piblas (Phillip James Edwin "Jim" Peebles, g. 1935 m.) kanadiečių fizikas ir kosmologas, prisidėjęs prie tamsiosios materijos ir energijos, kosminio mikrobangio spinduliavimo (kurį numatė kartu su R. Dike), Visatos struktūros, pirmapradžių branduolių susidarymo sričių. Labai vertinami jo parašyti trys kosmologijos vadovėliai. 4) Hovardas Robertsonas (Howard Percy "Bob" Robertson, 1903-1961) amerikiečių matematikas ir fizikas, žinomas indėliu į kosmologiją ir neapibrėžtumo principo nagrinėjimą. Darbavosi kvantinės mechanikos, bendrosios reliatyvumo teorijos ir diferencialinės geometrijos srityse. Išvystė besiplečiančios Visatos koncepciją ir numatė raudonąjį poslinkį. Po Antrojo pasaulinio karo buvo Gynybos ministro patarėja, NATO patarėjas, Prezidento patarėjas mokslo reikalais (1956-61), o taip pat NSO tyrimų komiteto pirmininku (1953). 5) Artūras Volkeris (Arthur Geoffrey Walker, 1909-2001) britų matematimas, prisidėjęs prie fizikos ir kosmologijos vystymo. Nors. Iš esmės, buvo geometru, labiausiai žinomas indėliu į bendrąją reliatyvumo teoriją. 6) Tomas Goldas (Thomas Gold, 1920-2004) austrų kilmės astrofizikas ir astronomas, vienas iš stabilios Visatos teorijos pasiūlytojų (1948). Bendrojoje reliatyvumo teorijoje nagrinėjo su laiku susijusius klausimus. Išnagrinėjo kai kuriuos Saulės sistemos dinamikos ypatumus (Žemės ašies sukimąsi, ašinį Merkurijaus ir Veneros sukimąsi). Daug dėmesio skyrė kosminių spindulių prigimties tyrimui, sukūrė Saulės žybsnių teoriją. Pasiūlė kvazarųpulsarų, kaip greitai besisukančių neutroninių žvaigždžių, modelį. Skyrė dėmesio Mėnulio paviršiaus tyrimams vienu metu buvo populiari Goldo hipotezė, kad Mėnulį dengia storas dulkių sluoksnis. 7) Martinas Railas (Sir Martin Ryle, 1918-1984) britų radijo astronomas, sukūręs naujoviškas radijo teleskopų sistemas, kurias panaudojo silpniems radijo signalams aptikti; Nobelio premijos laureatas (1974). Buvo stabilios Visatos teorijos priešininku. Buvo karšto būdo, todėl dažnai dirbo atsiskyręs nuo kitų komandos narių. Parašė kelias knygas apie branduolinį ginklą, kuriose teigė, kad vienintelis būdas išgelbėti planetą nuo susinaikinimo yra bet kokių branduolinių įrenginių uždraudimas. 8) Eugenijus Lifšicas (1915-1985) tarybinis rusų fizikas, vystęs bendrąją reliatyvumo teoriją; L. Landau mokinys. Užsiėmė kieto kūno fizika, kosmologija, gravitacijos teorija. Sukūrė nestabilumų besiplečiančioje Visatoje teoriją (1946). Rado bendrąjį Einšteino lygčių sprendinį su ypatybėmis laike (1970-72; kartu su I. Chalatniku ir V. Belinsku). 9) Izaokas Chalatnikovas (g. 1919 m.) tarybinis fizikas, pirmasis L. Landau vardo Teorinės fizikos inst-to direktorius (1965-92). Dirbo kvantinių skysčių, supertakumo, kvantinės elektrodinamikos, kvantinės lauko teorijos, reliatyvistinės hidrodinamikos, bendrosios reliatyvumo teorijos, reliatyvistinės astrofizikos ir kosmologijos srityse. Produktyviai bendradarbiavo su L. Landau (labiausiai žinoma Landau-Chalatnikovo supertakumo teorija). Papildomai skaitykite:
|
