Реликтовое излучение

ФГОУ ВПО ПЕРМСКИЙ ИНСТИТУТ ФСИН РОССИИ

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

 

 

По дисциплине:     Концепции современного естествознания

На тему:                             Реликтовое излучение

Выполнил:      Елисеев Александр Александрович группа № 124

 

 

Отметка о зачете ________________________     ________________________

     (Дата)

 

 

 

 

 

 

Пермь, 2010

 

                                           СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ ----------------------------------------------------------------------- 3 стр.

РЕЛИКТОВОЕ  ИЗЛУЧЕНИЕ ------------------------------------------------ 5 стр.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ РЕЛИКТОВОГО  ИЗЛУЧЕНИЯ ----------- 5 стр.

ЧТО ТАКОЕ «РЕЛИКТОВОЕ  ИЗЛУЧЕНИЕ»? ----------------------- 9 стр.

ЗНАЧЕНИЕ РЕЛИКТОВОГО  ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕОРИИ

БОЛЬШОГО  ВЗРЫВА ----------------------------------------------------- 11 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ----------------------------------------------------------------- 16 стр.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ --------------------------- 17 стр.

                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               ВВЕДЕНИЕ

 

Изучением рождения, развития, крупномасштабной структуры, свойств Вселенной занимается такой раздел астрономии, как космология (от греч. космос + логос). Это слово появилось не случайно. Появилось оно в Древней Греции, сейчас космосом и называют всё, что находится за пределами атмосферы Земли, в Древней Греции всё было не так. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония». В противоположность хаосу - «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Одним из предметов изучения космология является изучение происхождения  Вселенной.  По современным представлениям наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 13,5 миллиардов лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с бесконечно большими температурой и плотностью в результате Большого взрыва и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.

Теорию Большого Взрыва предложили в 20-х годах нашего века ученые Фридман и Леметр, в сороковых годах её дополнил и переработал Гамов. Согласно этой теории, когда-то давным-давно наша Вселенная представляла собой бесконечно малый сгусток, сверхплотный и раскалённый до немыслимых температур. Это нестабильное образование внезапно взорвалось, пространство быстро расширилось, а температура разлетающихся частиц, обладающих высокой энергией, начала снижаться. Примерно после первого миллиона лет атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звёзды и другие небесные тела. Звёзды старели, взрывались сверхновые, после чего появлялись более тяжёлые элементы. Они формировали звёзды более позднего поколения, такие, как наше Солнце. В качестве доказательств того, что в своё время произошёл Большой Взрыв, говорят о красном смещении света от объектов, расположенных на больших расстояниях, и микроволновом фоновом излучении.

На втором доказательстве микроволновом фоновом (реликтовом) излучении, как теме моей контрольной, я и остановлюсь более подробно.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

            ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Реликтовое  излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году на основе созданной ими первой теории Большого взрыва.

Георгий (Джордж) Гамов выдающийся русский учённый эмигрировавший впоследствии в США. «Гамов же был одним из самых плодовитых гениев своего времени, эрудитом, стремительно выдававшим на-гора идеи, изменившие ход развития ядерной физики, космологии и даже исследований ДНК. Возможно, не случайно автобиография Джеймса Уотсона, который вместе с Фрэнсисом Криком раскрыл тайну молекулы ДНК, называется «Гены, Гамов и девушки». Коллега-физик Эдвард Теллер вспоминал: «90 % теорий Гамова были неправильны, очень легко было понять, что они неправильны. Но он никогда не возражал. Он был одним из тех, кто не испытывает особой гордости за свои открытия. Он выдавал последнюю идею, а затем рассматривал ее как шутку». Но оставшиеся 10% его теорий продолжали развиваться, изменяя всю мировую науку»¹. Гамов родился в Одессе в 1904 год. Образование получил в Ленинградском университете 1922—1928гг. где физику преподавал Александр Фридман. В 1920-е годы в России Гамов впервые добился большого успеха, разрешив загадку радиоактивного распада. Окончательно покинул СССР осенью 1933 года, когда Гамов по рекомендации Иоффе был назначен советским представителем на Седьмом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе. В 1940-е годы интересы Гамова от теории относительности переместились в сторону космологии, которую он рассматривал как неизведанную ранее сферу деятельности.

Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового  излучения должна составлять 5K , а  Гамов дал предсказание в 3 K. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной  температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется  закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю Галактики и не предполагали, что излучение изотропно. Более  того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Ни сам Г. Гамов, ни многие его последователи не ставили  вопрос об экспериментальном обнаружении  реликтового излучения. По видимому, они считали, что это излучение  не может быть обнаружено, так как  оно «тонет» в потоках энергии, приносимых на землю излучением звёзд и космических лучей.

Возможность обнаружения  реликтового излучения на фоне излучения галактик и звёзд в области сантиметровых радиоволн была обоснована расчетами А. Г. Дорошкевича и И. Д. Новикова, выполненными по предложению Я. Б. Зельдовича в 1964 г., т. е. за год до открытия А. Пепзиаса и Р. Вилсона.

В 1965 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, сотрудники Веll Laboratories, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе (Нью-Джерси), решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала её надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи.

Для тестирования была выбрана  длина волны 7,35 см, на которой не излучал ни один из известных источников. Работа долго не клеилась, поскольку антенна постоянно фиксировала некий дополнительный посторонний шум, от которого никак нельзя было избавиться. Сначала решили, что это шум, свойственный аппаратуре. Проверка всех компонентов и даже удаление из дорогостоящей аппаратуры неизвестно как попавшего туда голубиного помета эффекта не принесли. Радиотелескоп демонтировали, еще и еще раз испытали его «начинку». Самолюбие инженеров было задето, и поэтому проверка шла до последней детали, до последней пайки. Устранили, кажется, всё! Собрали снова – шум возобновился. Шум не зависел ни от направления антенны, что означало, что его источник находится за пределами Земли и ее атмосферы, ни от времени суток, то есть не мог быть связан с Солнцем или планетами. Если бы причина крылась в нашей Галактике, то интенсивность излучения изменялась бы из-за вращения 3емли вокруг своей оси и вокруг Солнца, изменяющего направление антенны на те или иные участки космоса. Шум же был везде и всегда.

Интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения абсолютно чёрного тела с температурой около 3 К (К - Кельвин, единица температуры: 0 К - «абсолютный нуль» - температура тела, состоящего из неподвижных атомов, а 273 К соответствует 0°С). Потратив около года на устранение неустранимой помехи, Пензиас и Вилсон поняли, что нашли то, чего не теряли, - реликтовое излучение ранней Вселенной, существование которого было предсказано Джорджем Гамовым еще в 1948 году.

По иронии судьбы, в то же самое время Роберт Дикке и  Джим Пиблз из расположенного по соседству  с Холмделом Принстонского университета вычислили, что такое излучение, если оно действительно существует, должно быть изотропным (не зависеть от направления) и соответствовать температуре излучения абсолютно чёрного тела с температурой не более 10 К, о чем Пиблз и рассказал на своей лекции в начале 1965 года. Случайно узнавший об этом Пензиас по звонил в Принстон, когда там уже почти смонтировали аппаратуру для практического поиска сигнала. Включать ее уже не имело смысла.

Теоретическое обоснование  открытия взяли на себя принстонцы, но тем не менее Нобелевская премия 1978 года была присуждена Пензиасу и  Вилсону именно за практическое обнаружение  излучения.

Можно себе представить, как  возрадовались сторонники «горячей»  модели, когда пришло это сообщение. Это открытие не только укрепило позиции  «горячей» модели. Реликтовое излучение  позволило со ступеньки времени  квазаров (8-10 миллиардов лет) опуститься на ступеньку, соответствующую 300 тысячам  лет от самого «начала». Одновременно подтверждалась мысль, что некогда  Вселенная имела плотность в  миллиард раз более высокую, чем  сейчас.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      ЧТО ТАКОЕ «РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ»?

 

Чем является реликтовое излучение? Согласно теории большого Взрыва Вселенная возникла приблизительно 13,5 млрд. лет назад в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают. Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения, названного инфляцией, которая радикально изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тыс. лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. Так же в результате расширения первоначальное излучение стало куда менее интенсивным, но не пропало совсем. Именно его и обнаружили будущие нобелевские лауреаты.

Реликтовое излучение  равномерно заполняет всю Вселенную, и, если мы могли бы видеть микроволны, все небо пылало бы с поразительно одинаковой яркостью во всех направлениях. Эта однородность является одной  из главных причин, по которой это  излучение считают теплом, оставшимся от Большого Взрыва. Но как может  локальный источник создать подобную однородность? Оказывается, этому способствует сам процесс расширения пространства. Чтобы наглядно понять, как это  происходит, можно представить себе такую большую и очевидную неоднородность, как гора Джомолунгма. Теперь необходимо начать мысленно растягивать эту гору в ширину, оставляя высоту неизменной. Если как следует постараться и растянуть ее в ширину, к примеру, на миллион километров, то получится почти идеально плоская поверхность - перепад высот в 8 км (высота горы) будет практически незаметен на таком колоссальном масштабе. Именно это и происходит при расширении пространства после большого Взрыва - все неоднородности сглаживаются. Но возникшие после инфляции крошечные изменения в плотности материи в ранней Вселенной должны были оставить отпечаток на реликтовом излучении в форме температурных колебаний от точки к точке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗНАЧЕНИЕ  РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕОРИИ                                                            БОЛЬШОГО  ВЗРЫВА

 

Известно, что нагретое вещество всегда излучает фотоны. Согласно общим законам термодинамики, в этом проявляется стремление к равновесному состоянию, при котором достигается насыщение: рождение новых фотонов компенсируется обратным процессом, поглощением фотонов веществом, так что полное число фотонов в среде не меняется.

Этот «фотонный газ» равномерно заполняет всю Вселенную. Температура  газа фотонов близка к абсолютному  нулю — около 3 кельвинов, но энергия, содержащаяся в нём, больше световой энергии, испущенной всеми звёздами за время их жизни. На каждый кубический сантиметр пространства Вселенной приходится приблизительно пятьсот квантов излучения, а полное число фотонов в пределах видимой Вселенной в несколько миллиардов раз больше полного числа частиц вещества, т. е. атомов, ядер, электронов, из которых состоят планеты, звёзды и галактики. Это общее фоновое излучение Вселенной называют с легкой руки И. С. Шкловского, реликтовым, т. е. остаточным, представляющим собой остаток, реликт плотного и горячего начального состояния Вселенной.

Предположив, что вещество ранней Вселенной было горячим, Г. Гамов  предсказал, что фотоны, которые  находились тогда в термодинамическом  равновесии с веществом, должны сохраниться  в современную эпоху. Эти фотоны и удалось непосредственно обнаружить в 1965 г. Испытав общее расширение и связанное с ним охлаждение, газ фотонов образует сейчас фоновое  излучение Вселенной, приходящее к  нам равномерно со всех сторон. Квант  реликтового излучения не имеет  массы покоя, как всякий квант  электромагнитного излучения, но обладает энергией, а следовательно, по знаменитой формуле Эйнштейна Е=Мс², и массой, соответствующей этой энергии. Для большинства реликтовых квантов эта масса очень мала: гораздо меньше массы атома водорода — самого распространённого элемента звёзд и галактик. Поэтому, несмотря на значительное преобладание по числу частиц, реликтовое излучение уступает звёздам и галактикам по вкладу в общую массу Вселенной. В современную эпоху плотность излучения составляет 3•10-34 г/см3, что приблизительно в тысячу раз меньше усреднённой плотности вещества галактик. Но так было не всегда — в далеком прошлом Вселенной фотоны давали главный вклад в её плотность. Дело в том, что в ходе космологического расширения плотность излучения падает быстрее плотности вещества. В этом процессе убывает не только концентрация фотонов (в том же темпе, что и концентрация частиц), но уменьшается и средняя энергия одного фотона, так как при расширении падает температура газа фотонов.