Открытие реликтового излучения (Пензиас, Вильсон)

 
 
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ

ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ/НАПРАВЛЕНИЕ/МАГИСТРАТУРА

«Управление персоналом»

 

К О Н Т Р  О Л Ь Н А Я    Р  А Б О Т А

 

По дисциплине: Концепции современного естествознания

На тему: Открытие реликтового излучения (Пензиас, Вильсон).

 

Выполнил: Орлянский В.Л.

Студент 1 курса

1 семестр

Группа 3213045065

 

 

г. Нижневартовск, 2014

 

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………3

Глава 1. Реликтовое излучение……… ………..………………………4

1. Теория горячей Вселенной …………………….………………..5

Глава 2. На пути к обнаружению реликтового излучения …………..8

Глава 3. Открытие реликтового излучения ………………………….10

Заключение …………………………………………………………….13

Библиографический список литературы………………………………14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

История открытия реликтового  излучения весьма поучительна. Уже  в первых работах Г. Гамова, Р. Альфера, Р. Хермана было отмечено, что во Вселенной должно остаться от ранних эпох реликтовое излучение с температурой около 5 градусов абсолютной шкалы Кельвина.

Казалось бы, это предсказание должно было обратить на себя внимание астрофизиков, а те, в свою очередь, должны были заинтересовать радиоастрономов, с тем чтобы попытаться обнаружить предсказанное излучение.

Но ничего подобного не произошло. Историки науки и специалисты  до сих пор гадают, почему никто  не пытался сознательно искать реликтовое излучение. Прежде чем обращаться к  этим догадкам, давайте проследим  цепь фактических событий, приведших  к самому открытию.

В 1964 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 ее 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. Проверка всех компонентов  и даже удаление из дорогостоящей  аппаратуры неизвестно как попавшего  тyда голубиного помета эффекта не принесли. 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 черного 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 изотрапным (не зависеть от направления) и соответствовать температуре излучения абсолютно черного тела с темпертурой 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.

Что же такое реликтовое излучение? Согласно теории большого Взрыва Вселенная возникла приблизительно 14 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 этy среду, и, когда темпеpaтypa 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, представьте себе такую  большую и очевидную неоднородность, как гора Джомолунгма. Теперь начните  мысленно растягивать эту гору в  ширину, оставляя высоту неизменной. Если как следует постараться и  растянуть ее в ширину, скажем, 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.

Глава 1. РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см3.

Радиоастрономы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение  «космическим микроволновым фоновым  излучением» cosmic microwave background, CMB). Астрофизики-теоретики часто называют его «реликтовым излучением» (термин предложен русским астрофизиком И.С.Шкловским), поскольку в рамках общепринятой сегодня теории горячей Вселенной это излучение возникло на раннем этапе расширения нашего мира, когда его вещество было практически однородным и очень горячим. Иногда в научной и популярной литературе можно также встретить термин «трехградусное космическое излучение». Далее мы будем называть это излучение «реликтовым».

Открытие в 1965 реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания 20 в. и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несет нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней еще не существовало ни планет, ни звезд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосферных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого рождения Вселенной.

1.1. Теория горячей Вселенной.

В 1929 американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) открыл, что большинство  галактик удаляется от нас, причем тем  быстрее, чем дальше расположена  галактика (закон Хаббла). Это было интерпретировано как всеобщее расширение Вселенной, начавшееся примерно 15 млрд. лет назад. Встал вопрос о том, как выглядела Вселенная в  далеком прошлом, когда галактики  только начали удаляться друг от друга, и даже еще раньше. Хотя математический аппарат, основанный на общей теории относительности Эйнштейна и  описывающий динамику Вселенной, был  создан еще в 1920-е годы Виллемом де Ситтером (1872–1934), Александром Фридманом (1888–1925) и Жоржем Леметром (1894–1966), о физическом состоянии Вселенной в раннюю эпоху ее эволюции ничего не было известно. Не было даже уверенности, что в истории Вселенной существовал определенный момент, который можно считать «началом расширения».

Развитие ядерной физики в 1940-е  годы позволило начать разработку теоретических  моделей эволюции Вселенной в  прошлом, когда ее вещество, как предполагалось, было сжато до высокой плотности, при которой были возможны ядерные  реакции. Эти модели, прежде всего, должны были объяснить состав вещества Вселенной, который к тому времени уже  был достаточно надежно измерен  по наблюдениям спектров звезд: в  среднем они состоят на2/3 из водорода и на 1/3 из гелия, а все остальные химические элементы вместе взятые составляют не более 2%. Знание свойств внутриядерных частиц – протонов и нейтронов – позволяло рассчитывать варианты начала расширения Вселенной, различающиеся исходным содержанием этих частиц и температурой вещества и находящегося с ним в термодинамическом равновесии излучения. Каждый из вариантов давал свой состав исходного вещества Вселенной.

Если опустить детали, то существуют две принципиально разные возможности  для условий, в которых протекало  начало расширения Вселенной: ее вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Следствия ядерных реакций при  этом в корне отличаются друг от друга. Хотя идею о возможности горячего прошлого Вселенной высказывал еще  в своих ранних работах Леметр, исторически первой в 1930-е годы была рассмотрена возможность холодного начала.

В первых предположениях считалось, что  все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение  противоречит наблюдениям. Дело в том, что нейтрон в свободном состоянии  распадается в среднем за 15 минут  после возникновения, превращаясь  в протон, электрон и антинейтрино. В расширяющейся Вселенной возникшие  протоны стали бы соединяться  с еще оставшимися нейтронами, образуя ядра атомов дейтерия. Дальше цепочка ядерных реакций привела  бы к образованию ядер атомов гелия. Более сложные атомные ядра, как  показывают расчеты, при этом практически  не возникают. В результате все вещество превратилось бы в гелий. Такой вывод  находится в резком противоречии с наблюдениями звезд и межзвездного вещества. Распространенность химических элементов в природе отвергает  гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.

В 1946 в США «горячий» вариант  начальных стадий расширения Вселенной  предложил физик русского происхождения  Георгий Гамов (1904–1968). В 1948 была опубликована работа его сотрудников – Ральфа Альфера и Роберта Хермана, в которой рассматривались ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения с целью получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и их изотопов. В те годы стремление объяснить происхождение всех химических элементов их синтезом в первые мгновения эволюции вещества было естественным. Дело в том, что тогда ошибочно оценивали время, протекшее с начала расширения Вселенной, всего в 2–4 млрд. лет. Это было связано с завышенным значением постоянной Хаббла, вытекавшим в те годы из астрономических наблюдений.

Сравнивая возраст Вселенной в 2–4 млрд. лет с оценкой возраста Земли – около 4 млрд. лет, – приходилось  предполагать, что Земля, Солнце и  звезды образовались из первичного вещества с уже готовым химическим составом.

 Считалось, что этот состав  не изменился сколь-нибудь существенно,  так как синтез элементов в  звездах – процесс медленный  и для его осуществления перед  образованием Земли и других  тел уже не было времени.

Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел и к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд  успешно объясняет происхождение  всех тяжелых элементов (тяжелее  гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Отпала необходимость объяснять происхождение всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной. Однако суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.

С другой стороны, содержание гелия  в звездах и межзвездном газе составляет около 30% по массе. Это гораздо  больше, чем можно объяснить ядерными реакциями в звездах. Значит гелий, в отличие от тяжелых элементов, должен синтезироваться в начале расширения Вселенной, но при этом –  в ограниченном количестве.

Основная идея теории Гамова как раз и состоит в том, что высокая температура вещества препятствует превращению всего вещества в гелий. В момент 0,1 сек после начала расширения температура была около 30 млрд. K. В таком горячем веществе имеется много фотонов большой энергии. Плотность и энергия фотонов столь велики, что происходит взаимодействие света со светом, приводящее к рождению электронно-позитронных пар. Аннигиляция пар может в свою очередь приводить к рождению фотонов, а также к возникновению пар нейтрино и антинейтрино. В этом «бурлящем котле» находится обычное вещество. При очень высоких температурах не могут существовать сложные атомные ядра. Они были бы моментально разбиты окружающими энергичными частицами. Поэтому тяжелые частицы вещества существуют в виде нейтронов и протонов. Взаимодействия с энергичными частицами заставляют нейтроны и протоны быстро превращаться друг в друга. Однако реакции соединения нейтронов с протонами не идут, так как возникающее при этом ядро дейтерия тут же разбивается частицами большой энергии. Так, из-за большой температуры в самом начале обрывается цепочка, ведущая к образованию гелия.