Но более важным оказалось другой вывод, который следовал из предположения о первоначально горячей Вселенной - существование в нашу эпоху электромагнитного излучения, оставшегося от той эпохи, когда вещество во Вселенной имело большую плотность и высокую температуру. Это излучение выдающимся российским астрофизиком И.С.Шкловским было названо «реликтовым».
В процессе расширения Вселенной снижается как температура вещества, так и температура излучения. Согласно расчетам, проведенным в соответствии с различными вариантами теории температура реликтового излучения к настоящему времени должна быть в пределах от долей кельвина до 20-30 К. Электромагнитное излучение со столь малой температурой представляет собой ни что иное, как радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазона. Обнаружение реликтового излучения должно было стать решающим наблюдательным подтверждением теории «горячей Вселенной».
Расчеты, проведенные в 1964 г. отечественными астрофизиками А.Г.Дорошкевичем и И.Д.Новиковым, показали, что интенсивность реликтового излучения позволяет обнаружить его с помощью существовавших в те годы радиотелескопов. Однако эта теоретическая работа осталась незамеченной наблюдателями.
5. Поэтому открытие реликтового излучения совершилось случайно. В 1965 г. сотрудники американской компании «Bell» А.Пензиас и Р.Вилсон при отладке рупорной радиоантенны, созданной для наблюдений за спутником «Эхо», обнаружили слабый фоновый радиошум, приходящий из космоса и не зависящий от направления антенны. Наблюдения, проведенные ими на волне 7,35 см, показали, что температура обнаруженного излучения составляет около 3 К. За это выдающееся открытие, доказавшее, что в начале расширения Вселенная была горячей, А.Пензиасу и Р.Вилсону в 1978 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.
Примечательно, что первые наблюдательные факты, которые косвенно свидетельствовали о существовании во Вселенной излучения с температурой в несколько кельвинов, были получены еще в 1941 г., т.е. еще до появления гипотезы «горячей Вселенной».
Случай с реликтовым излучением является одним из многих примеров в истории физики, когда предсказание еще неизвестного явления делалось задолго до появления технических возможностей его обнаружения. Поэтому при рассказе об обнаружении реликтового излучения целесообразно лишний раз подчеркнуть наличие у теории так называемой «предсказательной» функции.
Общая плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении звезд, радиогалактик и всех других современных источников излучения вместе взятых. В каждом кубическом сантиметре Вселенной содержится примерно 500 фотонов реликтового излучения, а в одном кубическом метре их около миллиарда. Что же касается обычного вещества Вселенной, то если его равномерно распределить в пространстве, то в одном кубическом метре окажется всего 1 атом. Таким образом, кванты электромагнитных волн оказывается распространены в природе гораздо больше, чем частицы вещества.
6. В научно-популярной литературе процессы, происходящие в «горячей Вселенной» на начальном этапе ее расширения, достаточно часто называют «Большим взрывом». Вполне естественно, что подобное название вызывает ассоциации с процессами при обычном взрыве. Тем более, что вопросами космологии занимались создатели советского атомного оружия, выдающиеся физики Я.Б.Зельдович и А.Д.Сахаров. Следует, однако, иметь в виду чрезвычайно важное отличие Большого взрыва от взрыва обычного, на что указывал, в частности, Я.Б.Зельдович. При взрыве какого-либо заряда, когда в малом объеме выделяется значительная энергия, вещество заряда сильно нагревается и испаряется. Возникающий при этом перепад давлений создает силу, которая и разбрасывает вещество. При Большом взрыве никаких перепадов давления и плотности вещества в начале расширения Вселенной нет. Причиной, «первотолчком» расширения являются силы отталкивания, которые возникают при так называемом «вакуумоподобном» состоянии вещества сверхвысокой плотности. Рассмотрение природы этих сил выходит далеко за рамки данного курса, важно лишь подчеркнуть коренное отличие Большого взрыва от обычных взрывов.
7. Ясно, что при той высокой температуре, которая согласно современным космологическим теориям существовала на начальных этапах расширения, вещество не может находиться в таком состоянии, которое наблюдается в привычных земных условиях. В первые секунды после начала расширения температура превышала 109К. В этих условиях не могли существовать ни нейтральные атомы, ни даже сложные атомные ядра, но происходили процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц. В этом горячем котле электроны и позитроны превращались в нейтрино и антинейтрино, при столкновении энергичных γ-квантов происходило рождение пар электронов и позитронов, а также их аннигиляция с превращением в кванты света. Наиболее тяжелые частицы вещества были представлены нейтронами и протонами, которые взаимодействуя с более легкими частицами превращаются друг в друга.
После того, как температура упала до миллиарда кельвинов, стало возможным образование простейших атомных ядер. Синтез элементов ограничивался только наиболее легкими ядрами. Образование элементов тяжелее гелия происходит в звездах уже в нашу эпоху. По истечении примерно пяти минут после расширения вещество состояло на 30% из ядер атомов гелия и на 70% из протонов – ядер атомов водорода. Такой химический состав вещества в дальнейшем остававлся неизменным на протяжении миллиарда лет вплоть до образования галактик и звезд, в недрах которых начинают происходить процессы нуклеосинтеза.
Методические рекомендации.
Прежде всего необходимо иметь в виду, что сама идея глобальной эволюции Вселенной оказалась столь необычной, что первоначально не была принята даже самим создателем теории относительности – Альбертом Эйнштейном. Уже позднее, когда стало очевидным, что все объекты во Вселенной с течением времени изменяются, многим ученым казалось, что эти изменения, которые происходят в ее отдельных составляющих, не меняют облика Вселенной в целом.
Поэтому не приходится удивляться тому, что учащиеся тоже могут далеко не сразу воспринять идею эволюции.
Учитывая сказанное выше об ознакомлении учащихся средней школы с основами общей теории относительности (ОТО), нам представляется очень важным показать в первую очередь суть вывода об эволюции Вселенной, который был получен российским математиком А.А.Фридманом на основе строгого решения уравнений А.Эйнштейна. Этот вывод можно получить довольно просто, оперируя только привычными понятиями теории тяготения Ньютона, что позволяет продемонстрировать учащимся взаимосвязь и преемственность научных теорий, углубить представления о границах применимости той или иной теории. К сожалению, многие учащиеся воспринимают появление новой теории не иначе как замену «неправильной» теории «правильной».
Нелишним будет затронуть и вопрос, который нередко задают в связи с выводом о всеобщности процесса расширения Вселенной: «Куда и во что расширяется Вселенная?» Постановку такого вопроса нельзя признать правомерной, если считать, что Вселенная – это все, что существует, и вне Вселенной нет вообще ничего – ни материи, в каком-либо виде, ни пространства, ни времени. Если Вселенная – бесконечна, то она останется бесконечной, хотя расстояния между входящими в состав телами увеличатся.
В лекционной форме предлагаемый учебный материал можно уложить в одно занятие (сдвоенный урок). Однако, на наш взгляд целесообразнее распределить его на два занятия, каждое из которых будет занимать два урока. В этом случае учитель сможет не просто ознакомить учащихся с основными идеями современной космологии, но также использовать более продуктивные формы учебной деятельности школьников, организовать обсуждение изучаемых вопросов, сопровождая его замечаниями методологического характера и историческими экскурсами. Представляется целесообразным также не увлекаться (без особой на то необходимости) использованием математики, а ограничиться в основном изложением материала на качественном уровне, сосредоточив главное внимание на всестороннем раскрытии основных идей космологии.
На страницах научно-популярной литературе в последнее время достаточно много внимания уделяется описанию различных исторических подробностей того, как происходило то или иное открытие. Поэтому целесообразно предложить учащимся на основе этих материалов подготовить по отдельным вопросам небольшие по объему доклады (рефераты). Среди возможных тем этих сообщений можно назвать:
- «Преемственность теории тяготения Ньютона и теории тяготения Эйнштейна»,
- «Эффект Доплера: теория и экспериментальное доказательство»,
- «Открытие Хабблом «красного смещения» в спектрах галактик»,
- «Закон Хаббла и его следствия»,
- «Как было обнаружено реликтовое излучение» и другие.
Проведение заключительного (четвертого) урока возможно в форме беседы-дискуссии с обсуждением вопросов, которые ориентированы на выяснение не только того, как учащиеся усвоили сложные идеи современной космологии, но и их отношения к выводам науки о расширении Вселенной и его причинах. Последнее весьма важно, поскольку в настоящее время довольно широко распространены псевдонаучные спекуляции по этой серьезной мировоззренческой проблеме.
Из числа средств, обеспечивающих наглядность обучения, можно использовать кино- и видеофильмы, посвященные космологии, которые довольно красочно (хотя и не всегда точно) воспроизводят события, происходившие во Вселенной многие миллиарды лет тому назад. Их демонстрацию следует рассматривать прежде всего как способ создания определенного эмоционального настроя на восприятие идеи эволюции Вселенной. Сами же идеи целесообразно раскрывать на основе более привычных для физики приемов: сравнение данных о красном смещении галактик при изменении системы отсчета (мысленный переход с нашей Галактики на любую другую), доказательство общности важного свойства теорий тяготения Ньютона и Эйнштейна (сферически-симметричная материальная оболочка не создает никакого гравитационного поля во своей внутренней полости) и т.п. Учитывая состояние преподавания элементов астрономии в основной школе желательно показать фотографии различных типов галактик и их спектров со смещением линий. Не следует пренебрегать простейшей демонстрацией увеличения расстояния между галактиками на двумерной модели (точки на поверхности раздуваемого шарика), а также какого-либо из модельных опытов, поясняющих принцип Доплера.