88
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОСМОЛОГИИ
Лигай М.А., Сәдҥәқас Б.Қ., Кулушева Г.
Евразийский университет имени Л.Н. Гумилева, г. Астана
sbk.2@mail.ru
Проблемы космологии, его загадки, все неизведанное, предоставляющее
выдвижение неиссякаемых фантастических гипотез, вызывают неподдельный
интерес учащихся и могут служить основанием для раскрытия физических
основ космологии, для актуализации значимости физических теорий и законов
в решении проблем космологии, и как следствие мотивации интереса к
фундаментальной науке – физике.
Космология – астрофизическая теория структуры и динамики изменения
Метагалактики, включающая в себе и определенное понимание свойств всей
Вселенной.
Известно, что Вселенная – место вселения человека, доступное
эмпирическому наблюдению. Вселенная – это сотни миллионов галактик,
которые разделены друг от друга миллионами световых лет космического
пространства. Все эти системы вращаются вокруг своей оси с периодами в
сотни миллионов лет.
Наиболее общепринятой в космологии является модель
расширяющейся
Вселенной, построенная на основе общей теории относительности (ОТО) и
релятивистской теории тяготения, созданной А. Эйнштейном в 1916 г. В основе
этой модели лежат два предположения:
1. Вселенная однородна и изотропна;
2. Гравитационные поля описываются уравнениями Эйнштейна, из
которых следует кривизна пространства, связанная с плотностью масс
(энергии), а искривленное пространство не может быть стационарным – оно
должно или расширяться или сжиматься. На этом основании петербургским
ученым, А.А. Фридманом в 1922 г. была разработана модель нестационарной
расширяющейся Вселенной, которая подтвердилась в 1929 г. благодаря
открытию Э.П.Хабблом «Красного смещения» – сдвига спектральных линий в
сторону более длинных, красных волн, для всех далеких источников света, что
и подтвердило (на основе эффекта Доплера) их удаление от наблюдателя.
Наблюдаемый сдвиг спектральных линий объясняется проявлением
эффекта Доплера: если источник света удаляется со скоростью
от
наблюдателя, то длина волны излучаемого света
увеличивается от значения
до
,
где Т – период колебания световых волн и тогда:
(1)
– называют «красным смещением» [1:78].
Таким образом, эффект Доплера
– изменение
частоты и длины волн,
регистрируемых приѐмником, вызванное движением их источника или
89
движением приѐмника. Эффект назван в честь австрийского физика
К. Доплера,
который впервые описал этот эффект в 1842 г. и как, нам представляется,
оказался фундаментальной физической закономерностью для обоснования
стандартной модели расширяющейся Вселенной.
Актуальность рассмотрения именно этого эффекта определяется, в
частности, присуждением Нобелевской премии по физике в 2011 г. за
исследование в области современной космологии.
Награду получили
американские ученые Сол Перлмуттер, Адам Райсс и австралиец Брайан
Шмидт за открытие
возрастания скорости расширения Вселенной.
Вывод авторов об ускоряющемся расширении Вселенной со временем
был получен в ходе очень тонких и аккуратных наблюдений сверхновых звезд в
далеких галактиках (это звезды, которые тяжелее Солнца, но по размерам как
Земля, излучающие свет мощностью в целую плеяду). Ученые заметили, что
свет звезд слабее,
чем ожидалось, а это свидетельствует
об ускорении движения
светил, которые все дальше уходят от центра Вселенной. Эксперты полагают,
что это может быть обусловлено так называемой "темной энергией" и вывод,
что Вселенная возможно остынет: разлетевшись по безбрежным уголкам
вакуума, звезды взорвутся, а планеты замерзнут.
Отметим, что в астрофизике рассматривается
релятивистский эффект
Доплера.
В случае распространения электромагнитных волн (или других
безмассовых частиц) в вакууме, формулу
для частоты выводят из
уравнений специальной теории относительности.
Так как для распространения
электромагнитных волн не требуется материальная среда, можно рассматривать
только относительную скорость источника и наблюдателя [2: 158 – 159].
, (2)
где ω
0
– угловая частота, с которой
источник испускает волны, ω –
частота регистрируемая неподвижным источником, – скорость света,
–
скорость источника относительно приѐмника (наблюдателя), – угол между
направлением на источник и вектором скорости в системе
отсчѐта приѐмника.
Если источник радиально удаляется от наблюдателя, то
, если
приближается –
[3].
Релятивистский эффект Доплера обусловлен двумя причинами:
• классический аналог изменения частоты при относительном движении
источника и приѐмника
• релятивистское замедление времени.
Последний фактор приводит к
поперечному эффекту
Доплера, когда угол
между волновым вектором и скоростью источника равен
. В этом случае
изменение частоты является чисто релятивистским эффектом, не имеющим
классического аналога.
