CMB цацраг гэж юу вэ? Сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацрагийн температурын цаг хугацааны өөрчлөлт Сансрын богино долгионы фон цацрагийг туршилтаар илрүүлсэн нь батлагдсан.
Цахилгаан соронзон спектртэй холбоотой сонирхолтой нээлтүүдийн нэг юм сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацраг. Энэ нь санамсаргүй байдлаар нээгдсэн боловч оршин тогтнох магадлалыг урьдчилан таамаглаж байсан.
Сансар огторгуйн бичил долгионы дэвсгэр цацрагийг нээсэн түүх
Сансар огторгуйн бичил долгионы дэвсгэр цацрагийг нээсэн түүх 1964 онд эхэлсэн. Америкийн лабораторийн ажилтнууд Хонхтой утасхиймэл дагуулыг ашиглан холбооны системийг бүтээжээ. Энэ систем нь 7.5 сантиметр урт долгион дээр ажиллах ёстой байв. Ийм богино долгион нь хиймэл дагуулын радио холбоотой холбоотой зарим давуу талтай боловч Арно ПензиасТэгээд Роберт Вилсонэнэ асуудлыг хэн ч шийдээгүй. Тэд энэ салбарт анхдагчид байсан бөгөөд ижил долгионы уртад хүчтэй хөндлөнгийн оролцоо байхгүй, эсвэл харилцаа холбооны ажилчид ийм хөндлөнгийн оролцооны талаар урьдчилан мэдэж байсан байх ёстой. Тухайн үед сансар огторгуйгаас ирж буй радио долгионы эх үүсвэр нь зөвхөн цэгэн объект байж болно гэж үздэг байсан радио галактикуудэсвэл одод. Радио долгионы эх үүсвэр. Эрдэмтэд онцгой нарийвчлалтай хүлээн авагч, эргэдэг эвэр антентай байсан. Тэдний тусламжтайгаар эрдэмтэд эмч өвчтөнийхээ цээжийг чагнуураар чагнаж байгаатай адил огторгуйг бүхэлд нь сонсож чадна.Байгалийн эх үүсвэрийн дохио
Антенныг тэнгэрийн аль нэг цэг рүү чиглүүлмэгц осциллографын дэлгэц дээр муруй шугам бүжиглэв. Ердийн байгалийн эх үүсвэр дохио. Мэргэжилтнүүд тэдний азыг гайхшруулсан байх: хамгийн эхний хэмжсэн цэг дээр радио цацрагийн эх үүсвэр байсан! Гэвч тэд антенаа хаашаа чиглүүлснээс үл хамааран үр нөлөө нь хэвээрээ байв. Эрдэмтэд тоног төхөөрөмжийг дахин дахин шалгаж үзсэн ч төгс эмх цэгцтэй байсан. Эцэст нь тэд урьд өмнө мэдэгдээгүй байгалийн үзэгдлийг олж мэдсэнээ ойлгов. Орчлон ертөнц бүхэлдээ сантиметр урттай радио долгионоор дүүрсэн мэт санагдав. Хэрэв бид радио долгионыг харж чадвал огторгуй огторгуйгаас ирмэг хүртэл гэрэлтэж байгаа мэт харагдах болно.
Орчлон ертөнцийн радио долгион. Пензиас, Вилсон нарын нээлтийг нийтлэв. Зөвхөн тэд төдийгүй бусад олон орны эрдэмтэд хаана ч байсан, тэнгэрийн аль ч цэг рүү чиглүүлснээс үл хамааран энэ зорилгоор тохируулсан бүх антен, хүлээн авагчаас авсан нууцлаг радио долгионы эх үүсвэрийг хайж эхлэв. , мөн 7.5 сантиметр долгионы урттай аль ч цэгт радио цацрагийн эрчим нь яг ижил байсан бөгөөд энэ нь бүхэл бүтэн тэнгэрт жигд тархсан мэт байв. Эрдэмтдийн тооцоолсон CMB цацрагийн
Зєвлєлтийн эрдэмтэд А.Г.Дорошкевич, И.Д.Новиков нар зөгнөсөн сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацрагнээхээс өмнө нарийн төвөгтэй тооцоолол хийсэн. Тэд манай орчлонд байгаа цацрагийн бүх эх үүсвэрийг харгалзан үзсэн бөгөөд тодорхой объектуудын цацраг цаг хугацааны явцад хэрхэн өөрчлөгдсөнийг харгалзан үзсэн. Сантиметр долгионы бүсэд эдгээр бүх цацрагууд хамгийн бага байдаг тул илэрсэн тэнгэрийн туяанд ямар ч хариуцлага хүлээхгүй нь тогтоогдсон. Үүний зэрэгцээ цаашдын тооцоолол нь түрхсэн цацрагийн нягтрал маш өндөр байгааг харуулж байна. Фотоны вазелиныг (эрдэмтэд үүнийг нууцлаг цацраг гэж нэрлэдэг) орчлон ертөнцийн бүх бодисын масстай харьцуулсан харьцуулалт энд байна. Хэрэв бүх харагдах галактикийн бүх бодис ертөнцийн бүх орон зайд жигд тархсан бол гурван шоо метр орон зайд зөвхөн нэг устөрөгчийн атом байх болно (хялбар болгохын тулд бид оддын бүх бодисыг устөрөгч гэж үзэх болно). ). Үүний зэрэгцээ бодит орон зайн шоо см тутамд 500 орчим фотон цацраг агуулагддаг. Хэдийгээр бид бодис ба цацрагийн нэгжийн тоо биш, харин тэдгээрийн массыг шууд харьцуулж үзвэл маш их юм. Ийм хүчтэй цацраг хаанаас ирсэн бэ? Нэгэн цагт Зөвлөлтийн эрдэмтэн А.А.Фридман Эйнштейний алдарт тэгшитгэлийг шийдэж байхдаа үүнийг олж мэдсэн. Манай орчлон ертөнц байнгын тэлэлттэй байдаг. Үүний баталгаа удалгүй олдсон. Америкийн Э.Хаббл нээсэн галактикийн уналтын үзэгдэл. Энэ үзэгдлийг өнгөрсөнд эксполяляци хийснээр бид Орчлон ертөнцийн бүх бодис маш бага эзэлхүүнтэй байсан бөгөөд түүний нягт нь одоогийнхтой харьцуулшгүй их байсан агшинг тооцоолж чадна. Орчлон ертөнц тэлэх үед квант бүрийн долгионы урт нь орчлон ертөнцийн тэлэлттэй пропорциональ өсдөг; Энэ тохиолдолд квант нь "хөргөх" мэт санагддаг - эцэст нь квант долгионы урт богино байх тусам "халуун" болно. Өнөөдрийн сантиметр хэмжээний цацраг нь 3 градусын үнэмлэхүй Келвин гэрэлтэх температуртай. Арван тэрбум жилийн өмнө орчлон ертөнц юутай ч зүйрлэшгүй жижиг, түүний материйн нягт маш өндөр байх үед эдгээр квантууд ойролцоогоор 10 тэрбум градусын температуртай байсан. Тэр цагаас хойш манай орчлон ертөнц тасралтгүй хөргөх цацрагийн квантаар "булагдсан". Тийм ч учраас сансрын богино долгионы арын цацраг гэж орчлон ертөнц даяар "түрхсэн" сантиметр радио цацраг гэж нэрлэдэг. дурсгалууд, та бүхний мэдэж байгаагаар өнөөг хүртэл хадгалагдан үлдсэн хамгийн эртний амьтан, ургамлын үлдэгдлийн нэрс юм. Сантиметрийн цацрагийн квант нь мэдээжийн хэрэг боломжтой бүх дурсгалуудын хамгийн эртний нь юм. Эцсийн эцэст тэдний үүссэн үе нь биднээс ойролцоогоор 15 тэрбум жилийн алслагдсан эрин үеэс эхэлдэг.Орчлон ертөнцийн талаарх мэдлэг нь сансрын бичил долгионы арын цацрагийг авчирсан
Түүний нягт нь хязгааргүй их байсан тэг агшинд матери ямар байсан талаар бараг юу ч хэлж чадахгүй. Харин үед гарсан үзэгдэл, үйл явц Орчлон ертөнц, түүнийг төрснөөс хойш хэдхэн секундын дараа, бүр 10-8 секундын өмнө эрдэмтэд аль хэдийн маш сайн төсөөлж байна. Энэ талаарх мэдээллийг яг таг хүргэсэн сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацраг. Тиймээс тэг мөчөөс хойш нэг секунд өнгөрчээ. Манай орчлон ертөнцийн бодис 10 тэрбум градусын температуртай бөгөөд нэг төрлийн "будаа" -аас бүрддэг байв. релик кванттар, электродууд, позитронууд, нейтрино ба антинейтрино . "Будаа" -ны нягтрал асар их байсан - нэг шоо см тутамд нэг тонн гаруй байв. Ийм "бөглөгдсөн" нөхцөлд нейтрон ба позитрон электронтой мөргөлдөх нь тасралтгүй явагдаж, протонууд нейтрон болж, эсрэгээрээ байв. Гэхдээ энд хамгийн их квантууд байсан - нейтрон ба протоноос 100 сая дахин их. Мэдээжийн хэрэг, ийм нягтрал, температурт бодисын нарийн төвөгтэй цөмүүд оршин тогтнох боломжгүй: тэд энд задраагүй. Зуун секунд өнгөрөв. Орчлон ертөнцийн тэлэлт үргэлжилж, нягтрал нь тасралтгүй буурч, температур буурч байв. Позитрон бараг алга болж, нейтронууд протон болж хувирав. Устөрөгч ба гелийн атомын цөм үүсч эхлэв. Эрдэмтдийн хийсэн тооцооллоор нейтронуудын 30 хувь нь нийлж гелий цөм үүсгэдэг бол 70 хувь нь дангаараа үлдэж устөрөгчийн цөм болсон байна. Эдгээр урвалын явцад шинэ квантууд гарч ирсэн боловч тэдгээрийн тоог анхныхтай нь харьцуулах боломжгүй болсон тул энэ нь огт өөрчлөгдөөгүй гэж бид үзэж болно. Орчлон ертөнцийн тэлэлт үргэлжилсээр байв. Эхэндээ байгалиасаа огцом исгэж байсан "будаа"-ны нягтрал нь шугаман зайны шоо хэмжээтэй пропорциональ буурчээ. Олон жил, зуун, мянган жил өнгөрөв. 3 сая жил өнгөрчээ. Энэ агшинд "будаа"-ны температур 3-4 мянган градус хүртэл буурч, бодисын нягтрал нь бидний мэдэж байгаа хэмжээнд ойртсон боловч од, галактик үүсэх боломжтой бөөгнөрөл хараахан гарч чадаагүй байна. Тухайн үед цацрагийн даралт хэт их байсан тул ийм формацийг түлхэж байв. Гели ба устөрөгчийн атомууд хүртэл ионжсон хэвээр байв: электронууд тус тусад нь, атомын протон, цөмүүд тус тусад нь оршин тогтнож байв. Гурван сая жилийн эцэс гэхэд л хөргөх "будаа" -д анхны конденсаци үүсч эхлэв. Эхэндээ тэд маш цөөхөн байсан. "Будаа"-ны мянганы нэг нь өвөрмөц эх од болон хувирмагц эдгээр формацууд орчин үеийн одтой адил "шатаж" эхлэв. Тэдний ялгаруулсан фотон ба энергийн квантууд нь хөргөж эхэлсэн "будаа" -ыг халааж, шинэ конденсац үүсэх нь дахин боломжгүй болсон. Анхны оддын туяагаар "будаа" хөргөх, халаах хугацаа ээлжлэн солигдож, бие биенээ орлуулж байв. Орчлон ертөнц тэлэлтийн зарим үе шатанд нэг удаа зузаан байсан "будаа" хэт "шингэрүүлсэн" тул шинэ конденсац үүсэх нь бараг боломжгүй болсон. Бодисын 5 орчим хувь нь нэгдэж чадсан бөгөөд 95 хувь нь тэлж буй орчлон ертөнцийн орон зайд тархсан байв. Реликт цацрагийг үүсгэсэн нэгэн цагт халуун квант ингэж "тарсан". “Будаа”-ны нэг хэсэг болох устөрөгч, гелийн атомын цөмүүд ингэж тарсан байв.Орчлон ертөнц үүссэн тухай таамаглал
Тэдгээрийн нэг нь энд байна: манай орчлон ертөнцийн ихэнх бодис нь гариг, од, галактикийн найрлагад оршдоггүй, харин галактик хоорондын хий үүсгэдэг - 70 хувь устөрөгч, 30 хувь гели, нэг шоо метр орон зайд нэг устөрөгчийн атом. Дараа нь Орчлон ертөнцийн хөгжил эх оддын үе шатыг даван туулж, бидний хувьд ердийн зүйл болох ердийн задралын спираль галактикууд, энгийн оддын үе шатанд орсон бөгөөд эдгээрээс хамгийн танил нь биднийх юм. Эдгээр оддын заримыг тойрон гаригийн системүүд үүсч, ядаж нэг гариг дээр амьдрал үүссэн нь хувьслын явцад оюун ухааныг бий болгосон. Эрдэмтэд сансар огторгуйд тойрог замаар хүрээлэгдсэн одод хэр олон удаа байдгийг хараахан мэдэхгүй байна. Тэд хэр олон удаа гэж юу ч хэлж чадахгүй.
Гаригуудын дугуй бүжиг. Амьдралын ургамал хэр олон удаа учир шалтгааны өтгөн цэцэгт цэцэглэдэг вэ гэсэн асуулт нээлттэй хэвээр байна. Эдгээр бүх асуудлыг тайлбарладаг өнөөдөр бидний мэддэг таамаглалууд нь үндэслэлгүй таамаглалтай адил юм. Гэтэл өнөөдөр шинжлэх ухаан нуранги шиг хөгжиж байна. Саяхан эрдэмтэд манайх хэрхэн эхэлсэн талаар мэдэхгүй байв. 70 орчим жилийн өмнө нээгдсэн сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацраг нь энэ зургийг зурах боломжтой болгосон. Өнөөдөр хүн төрөлхтөнд хангалттай баримт байхгүй бөгөөд үүний үндсэн дээр дээр дурдсан асуултуудад хариулж чадна. Сансар огторгуйд нэвтрэн орох, сар болон бусад гаригуудад зочлох нь шинэ баримтуудыг авчирдаг. Баримтуудыг таамаглахаа больсон, харин хатуу дүгнэлт дагах болсон. CMB цацраг нь орчлон ертөнцийн нэгэн төрлийн байдлыг илтгэнэ
Манай орчлон ертөнцийн мэндэлсний гэрч болох эдгээр реликт цацрагууд эрдэмтэд өөр юу хэлсэн бэ? А.А.Фридман Эйнштейний өгсөн тэгшитгэлүүдийн нэгийг шийдэж, энэ шийдэлд үндэслэн Орчлон ертөнцийн тэлэлтийг нээсэн. Эйнштейний тэгшитгэлийг шийдэхийн тулд анхны нөхцөл гэж нэрлэгддэг нөхцөлийг тогтоох шаардлагатай байв. Фридман гэсэн таамаглалаас гарсан Орчлон ертөнц нэгэн төрлийнмөн изотроп, түүний доторх бодис жигд тархсан гэсэн үг. Фридманыг нээснээс хойш 5-10 жилийн хугацаанд энэ таамаглал зөв байсан уу гэсэн асуулт нээлттэй хэвээр байв. Одоо энэ нь үндсэндээ хасагдсан. Орчлон ертөнцийн изотропи нь реликт радио цацрагийн гайхалтай жигд байдлаас нотлогддог. Хоёрдахь баримт нь ижил зүйлийг харуулж байна - орчлон ертөнцийн материйн галактик ба галактик хоорондын хий хоорондын хуваарилалт.
Эцсийн эцэст, орчлон ертөнцийн материйн дийлэнх хэсгийг бүрдүүлдэг галактик хоорондын хий нь реликт квант шиг жигд тархсан байдаг.. Сансрын богино долгионы арын цацрагийг нээсэн нь зөвхөн хэт алс холын өнгөрсөн үеийг харах боломжийг олгодог - манай Дэлхий ч, Нар ч, Галактик ч, тэр байтугай орчлон ертөнц ч байхгүй байсан цаг хугацааны хязгаараас гадна. Ямар ч чиглэлд чиглүүлж болох гайхалтай дурантай адил CMB-ийн нээлт нь хэт алс ирээдүйг харах боломжийг бидэнд олгодог. Дэлхий, нар, галактик байхгүй болох үед маш хол зайд. Орчлон ертөнцийг тэлэх үзэгдэл нь түүнийг бүрдүүлэгч одод, галактикууд, тоос үүл, хий нь сансар огторгуйд хэрхэн тархаж байгааг ойлгоход тусална. Энэ үйл явц мөнхийн мөн үү? Эсвэл тэлэлтийг удаашруулж, зогсоож, дараа нь шахалтанд орох уу? Орчлон ертөнцийн дараалсан шахалт, тэлэлт нь материйн нэг төрлийн лугшилт, усташгүй, мөнхийн биш гэж үү? Эдгээр асуултын хариулт нь юуны түрүүнд Орчлонд хэр их бодис агуулагдаж байгаагаас хамаарна. Хэрэв түүний нийт таталцал тэлэлтийн инерцийг даван туулахад хангалттай бол тэлэлт нь шахалтад зайлшгүй байр сууриа тавьж, галактикууд аажмаар ойртох болно. Хэрэв таталцлын хүч нь тэлэлтийн инерцийг удаашруулж, даван туулахад хангалтгүй бол манай Орчлон ертөнц сүйрнэ: тэр орон зайд сарнина! Бидний бүх ертөнцийн ирээдүйн хувь заяа! Илүү том асуудал байна уу? Сансрын богино долгионы арын цацрагийг судлах нь шинжлэх ухаанд үүнийг бий болгох боломжийг олгосон. Мөн цаашдын судалгаагаар үүнийг шийдэх боломжтой. Орчлон ертөнцийг судлах орчин үеийн багаж хэрэгсэл, хамгийн сүүлийн үеийн аргуудыг ашиглаж байгаа хэдий ч түүний гадаад төрх байдлын асуудал нээлттэй хэвээр байна. Насны хувьд энэ нь гайхмаар зүйл биш юм: хамгийн сүүлийн үеийн мэдээллээр энэ нь 14-15 тэрбум жилийн хооронд хэлбэлздэг. Тэр цагаас хойш нэгэн цагт болсон бүх нийтийн хэмжээний агуу үйл явцын нотлох баримт маш бага байсан нь ойлгомжтой. Тиймээс хэн ч өөрсдийгөө таамаглалаар хязгаарлаж, юу ч баталж зүрхлэхгүй байна. Гэсэн хэдий ч тэдний нэг нь саяхан маш чухал аргументыг хүлээн авсан - сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацраг.
1964 онд цуурай хиймэл дагуулын радио ажиглалтын ажлыг гүйцэтгэж байсан алдартай лабораторийн хоёр ажилтан зохих хэт мэдрэмтгий төхөөрөмжид нэвтэрч, зарим сансрын биетүүдийн өөрийн радио цацрагийн талаархи зарим онолоо туршиж үзэхээр шийджээ.
Газар дээрх эх үүсвэрээс гарч болзошгүй хөндлөнгийн оролцоог шүүх зорилгоор 7.35 см-ийн зайг ашиглахаар шийдсэн боловч антенныг асааж, тохируулсны дараа хачирхалтай үзэгдэл бүртгэгдсэн: тодорхой дуу чимээ, байнгын дэвсгэр бүрэлдэхүүн хэсэг. Орчлон ертөнц. Энэ нь бусад гаригуудтай харьцуулахад дэлхийн байрлалаас хамаардаггүй байсан бөгөөд энэ нь эдгээрээс эсвэл өдрийн цагаар радио хөндлөнгийн таамаглалыг нэн даруй устгасан. Р.Вилсон ч, А.Пензиас ч орчлон ертөнцийн сансрын богино долгионы фон цацрагийг нээснээ ч ухаарсангүй.
Тэдний хэн нь ч үүнийг таамаглаагүй тул "арын дэвсгэр" -ийг төхөөрөмжийн онцлогтой холбосон (тэр үед хэрэглэж байсан богино долгионы антен хамгийн мэдрэмтгий байсныг санахад хангалттай) бүртгэгдсэн дуу чимээ нь тодорхой болтол бараг бүтэн жил өнгөрчээ. өөрөө орчлон ертөнцийн нэг хэсэг байсан. Илэрсэн радио дохионы эрч хүч нь 3 Кельвин (1 Кельвин нь -273 хэмтэй тэнцүү) температуртай цацрагийн эрчимтэй бараг ижил байв. Харьцуулбал, тэг Келвин нь хөдөлгөөнгүй атомуудаас бүрдсэн объектын температуртай тохирч байна. 500 МГц-ээс 500 ГГц хооронд хэлбэлздэг.
Энэ үед Принстоны их сургуулийн хоёр онолч Р.Дик, Д.Пибблс нар орчлон ертөнцийн хөгжлийн шинэ загварт тулгуурлан ийм цацраг байх ёстой бөгөөд бүх орон зайд нэвчих ёстой гэж математик тооцоолсон. Энэ сэдвээр лекц уншсан талаар санамсаргүйгээр мэдсэн Пензиас их сургуультай холбоо барьж, сансрын богино долгионы фон цацраг бүртгэгдсэн гэж мэдээлсэн гэдгийг хэлэх нь илүүц биз.
Их тэсрэлтийн онол дээр үндэслэн бүх бодис асар том дэлбэрэлтийн үр дүнд үүссэн. Үүнээс хойшхи эхний 300 мянган жилийн хугацаанд сансар огторгуй нь энгийн тоосонцор ба цацрагийн нэгдэл байв. Дараа нь тэлэлтийн улмаас температур буурч эхэлсэн бөгөөд энэ нь атомууд гарч ирэх боломжтой болсон. Илэрсэн реликт цацраг нь тэр алс холын үеийн цуурай юм. Орчлон ертөнц хил хязгаартай байсан ч бөөмсийн масс нь ямар ч төрлийн долгионыг тусгаж, тархахаас сэргийлдэг тул бөөмсийн нягт маш өндөр байсан тул цацраг нь "холбогдсон" байв. Зөвхөн атомууд үүсч эхэлсний дараа орон зай долгионы хувьд "тунгалаг" болсон. Сансар огторгуйн бичил долгионы арын цацраг ингэж гарч ирсэн гэж үздэг. Одоогийн байдлаар нэг шоо см орон зайд 500 орчим анхны квант агуулагдаж байгаа ч энерги нь бараг 100 дахин багассан байна.
Орчлон ертөнцийн янз бүрийн хэсэгт CMB цацраг өөр өөр температуртай байдаг. Энэ нь тэлж буй орчлон ертөнц дэх анхдагч материйн байршилтай холбоотой юм. Ирээдүйн бодисын атомын нягтрал өндөр байх үед цацрагийн эзлэх хувь, улмаар түүний температур буурсан байна. Эдгээр чиглэлд дараа нь том биетүүд (галактикууд ба тэдгээрийн бөөгнөрөлүүд) үүссэн.
Сансрын богино долгионы арын цацрагийг судлах нь цаг хугацааны эхэн үед тохиолддог олон үйл явцын тодорхойгүй байдлын хөшгийг арилгадаг.
CMB цацраг нь бүх чиглэлд ижил, ~ 2.7 К температурт хар биетийн спектрийн шинж чанартай бичил долгионы арын дэвсгэр цацраг юм.
Энэ цацрагаас хүн хаанаас ирсэн бэ гэсэн асуултын хариултыг олж чадна гэж үздэг. Үнэн хэрэгтээ сансрын богино долгионы арын цацраг нь өтгөн халуун плазмын тэлэлтээс хойш гарч эхэлсэн "Орчлонгийн бүтээн байгуулалт" -аас үлдсэн зүйл юм. Сансрын богино долгионы арын цацраг гэж юу болохыг ойлгоход хялбар болгохын тулд үүнийг хүний үйл ажиллагааны үлдэгдэлтэй харьцуулж үзье. Жишээлбэл, хүн ямар нэг юм зохион бүтээж, бусад нь худалдаж аваад, хэрэглэж, хог хаягдлыг хаядаг. Тиймээс хог хаягдал (хүний амьдралын үр дүн) нь сансрын бичил долгионы арын цацрагийн аналог юм. Хүн тодорхой хугацаанд хаана байсан, юу идсэн, юу өмсөж байсан, тэр байтугай юу ярьж байсан зэргийг хогноос эхлээд бүгдийг мэдэж болно. Мөн сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацраг. Эрдэмтэд түүний шинж чанарт үндэслэн их тэсрэлтийн агшны зургийг бүтээхийг оролдож байгаа бөгөөд энэ нь Орчлон ертөнц хэрхэн үүссэн бэ гэсэн асуултын хариуг өгч магадгүй юм. Гэсэн хэдий ч энерги хадгалагдах хуулиуд нь орчлон ертөнцийн гарал үүслийн талаар тодорхой санал зөрөлдөөн үүсгэдэг, учир нь юу ч хаанаас ч гарч ирдэггүй, хаашаа ч явдаггүй. Манай орчлон ертөнцийн динамик бол шилжилт, шинж чанар, төлөв байдлын өөрчлөлт юм. Үүнийг манай гариг дээр ч ажиглаж болно. Жишээлбэл, бөмбөлөг аянга усны бөөмсийн үүлэн дотор гарч ирдэг?! Хэрхэн? Энэ яаж байж болох вэ? Зарим хуулийн гарал үүслийг хэн ч тайлбарлаж чадахгүй. Сансар огторгуйн бичил долгионы дэвсгэр цацрагийг нээсэн түүхтэй адил эдгээр хуулиудыг нээсэн мөчүүд л байдаг.
Сансар огторгуйн бичил долгионы дэвсгэр цацрагийг судлах түүхэн баримтууд
CMB-г анх Георгий Антонович Гамов (Жорж Гамов) их тэсрэлтийн онолыг тайлбарлах гэж оролдохдоо дурдсан байдаг. Тэрээр зарим нэг үлдэгдэл цацраг нь байнга өргөжиж буй орчлон ертөнцийн орон зайг дүүргэсэн гэж таамагласан. 1941 онд Эндрю МакКеллар Офиучус бөөгнөрөл дэх нэг одны шингээлтийг судалж байхдаа 2.7 К-ийн температуртай тохирч буй гэрлийн спектр шингээлтийн шугамыг анзаарчээ. сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацраг 5 К. Дараа нь Георгий Гамов мэдэгдэж байсан 3 К-ээс бага температурыг санал болгосон. Гэхдээ энэ нь тухайн үед хэнд ч мэдэгдээгүй энэ баримтын зөвхөн өнгөц судалгаа байсан юм. 60-аад оны эхээр Роберт Дик, Яков Зельдович нар цацрагийн эрч хүч нь цаг хугацаанаас хамаардаггүй долгионыг бүртгэснээр Гамовтой ижил үр дүнд хүрчээ. Эрдэмтдийн сониуч оюун ухаан нь сансрын бичил долгионы цацрагийг илүү нарийвчлалтай бүртгэхийн тулд тусгай радио дуран бүтээх шаардлагатай болсон. 80-аад оны эхээр сансрын салбар хөгжихийн хэрээр сансрын богино долгионы арын цацрагийг сансрын хөлгөөс илүү анхааралтай судалж эхэлсэн. Сансар огторгуйн бичил долгионы дэвсгэр цацрагийн изотропийн шинж чанарыг тогтоох боломжтой байсан (бүх чиглэлд ижил шинж чанарууд, жишээлбэл, хойд зүгт 10 секундэд 5 алхам, урагшаа 10 секундэд 5 алхам). Өнөөдөр дурсгалын шинж чанар, үүссэн түүхийн судалгаа үргэлжилж байна.
Реликт цацраг ямар шинж чанартай байдаг вэ?
COBE хиймэл дагуулын FIRAS багаж ашиглан олж авсан өгөгдлөөс CMB спектр
Сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацрагийн спектр нь 2.75 Кельвин бөгөөд энэ температурт хөргөсөн тортогтой төстэй юм. Ийм бодис нь түүнд хэрхэн нөлөөлж байгаагаас үл хамааран цацрагийг (гэрэл) үргэлж шингээж авдаг. Нэг бол соронзон ороомог руу нааж, цөмийн бөмбөг рүү шидэх, эсвэл хайсан гэрлээр гэрэлтүүл. Ийм бие нь мөн бага хэмжээний цацраг ялгаруулдаг. Гэхдээ энэ нь туйлын зүйл биш гэдгийг л баталж байна. Та үргэлж төгс хуулийг хязгааргүй урт хугацаанд гаргаж, ямар нэг зүйлийн тодорхой шинж чанарын дээд хэмжээнд хүрч чадна, гэхдээ бага хэмжээний инерци үргэлж хэвээр байх болно.
Сансар огторгуйн бичил долгионы дэвсгэр цацрагийг судлахтай холбоотой сонирхолтой баримтууд
Сансрын богино долгионы арын цацрагийн хамгийн их давтамжийг 160.4 ГГц-т бүртгэсэн нь 1.9 мм долгионтой тэнцэж байна. Ийм цацрагийн нягт нь см3 тутамд 400-500 фотон байна. CMB цацраг нь орчлон ертөнцөд ажиглагдаж болох хамгийн эртний, хамгийн эртний цацраг юм. Бөөм бүр дэлхийд хүрэхийн тулд 400,000 жил зарцуулсан. Километр биш, хэдэн жил! Хиймэл дагуулын ажиглалт, математик тооцооллоос харахад сансрын богино долгионы дэвсгэр цацраг зогсонги байдалд байгаа мэт санагдаж, бүх галактик, одны ордууд үүнтэй харьцуулахад асар хурдтайгаар, секундэд хэдэн зуун километрийн хурдтайгаар хөдөлдөг. Яг л цонхоор хөдөлж буй галт тэргийг харж байгаа мэт. Одны чиглэлийн сансрын богино долгионы фон цацрагийн температур 0.1% их, эсрэг чиглэлд 0.1% бага байна. Энэ нь нарны энэ одны зүг чиглэсэн хөдөлгөөнийг реликт дэвсгэртэй харьцуулахад тайлбарладаг.
Сансрын богино долгионы арын цацрагийг судлах нь бидэнд юу өгдөг вэ?
Орчлон ертөнцийн эхэн үе хүйтэн, маш хүйтэн байсан. Орчлон ертөнц яагаад ийм хүйтэн байсан бэ, орчлон ертөнц тэлэх үед юу болсон бэ? Их тэсрэлтийн улмаас орчлон ертөнцөөс гадуур асар их хэмжээний энерги ялгарч, дараа нь Орчлон ертөнц хөрж, бараг хөлдсөн боловч цаг хугацаа өнгөрөхөд энерги дахин бөөгнөрөл болж, тодорхой урвал явагдсан гэж таамаглаж болно. үүссэн нь орчлон ертөнцийг тэлэх үйл явцыг эхлүүлсэн. Тэгвэл хар матери хаанаас гардаг ба энэ нь сансрын бичил долгионы арын цацрагтай харилцан үйлчлэлцдэг үү? Магадгүй сансрын бичил долгионы арын цацраг нь харанхуй материйн задралын үр дүн бөгөөд их тэсрэлтийн үлдэгдэл цацрагаас илүү логик юм. Харанхуй энерги нь антиматер, харанхуй материйн бөөмс байж болох тул материйн бөөмстэй мөргөлдөж, реликт цацрагтай адил материаллаг ба материаллаг ертөнцөд цацраг үүсгэдэг. Өнөөдөр энэ бол амжилтанд хүрч, шинжлэх ухаан, нийгмийн түүхэнд тэмдэглэгдсэн шинжлэх ухааны хамгийн сүүлийн үеийн, судлагдаагүй салбар юм.
"Relict relic" цацраг нь юуг илтгэдэг вэ?
Сансрын арын цацрагийг сансрын арын цацраг гэж нэрлэдэг бөгөөд спектр нь ойролцоогоор 3 градус Кельвин температуртай бүрэн хар биетийн спектртэй тохирч байна. Энэ цацраг нь хэдэн миллиметрээс хэдэн арван см хүртэлх долгионы уртад ажиглагддаг; Энэ нь бараг изотроп шинж чанартай байдаг. Сансар огторгуйн бичил долгионы арын цацрагийг нээсэн нь халуун орчлон ертөнцийн онолын шийдэмгий нотолгоо байсан бөгөөд урьд нь орчлон ертөнц одоогийнхоос хамаагүй өндөр бодисын нягтралтай, маш өндөр температуртай байсан. Өнөөдөр бүртгэгдсэн реликт цацраг нь орчлон ертөнцийн нас ердөө 300-500 мянган жил, нягтрал нь нэг куб см тутамд 1000 атомтай байсан эртний үйл явдлын тухай мэдээлэл юм. Тэр үед анхдагч орчлон ертөнцийн температур ойролцоогоор 3000 Кельвин болтлоо буурч, энгийн бөөмсүүд устөрөгч, гелийн атомуудыг үүсгэж, чөлөөт электронууд гэнэт алга болсноор өнөөдөр бид сансрын бичил долгионы дэвсгэр гэж нэрлэдэг цацрагийг бий болгосон.
Сансрын богино долгионы арын цацрагийн хүлээгдэж буй температурын анхны онолын тооцоог 50-аад онд хийсэн Гамов, Альфер нарын бүтээлүүдэд багтаасан болно. Тэд ойролцоогоор 5 К-ийн тоог харуулсан. Энэ цацрагийг одод болон радио галактикийн цахилгаан соронзон цацрагийн дэвсгэр дээр ажиглаж болох уу? Зөвлөлтийн астрофизикч А.Г.Дорошкевич ба зохиолчийн 1964 онд хийсэн бүтээлд анх удаа сансрын бичил долгионы арын цацрагийн эрчмийг (хэрэв байгаа бол мэдээжийн хэрэг) спектрийн см-ийн бүсэд хэр их байх ёстойг тусгайлан тооцоолсон болно. радио галактик болон бусад эх үүсвэрээс цацрагийн эрчим. Орчлон ертөнцийн халуун ба хүйтэн загваруудын сонголтоос хамаарах сансрын богино долгионы арын цацрагийг хайж олох шийдэмгий туршилт хийх боломж тодорхой болов. Гэвч энэ онолын ажил ажиглагчдын анхаарлыг татсангүй.
CMB-ийг 1965 онд Америкийн Bell, Penzias, Wilson компанийн ажилчид Echo хиймэл дагуулыг ажиглах зорилгоор бүтээсэн радио антенныг дибаг хийх явцад санамсаргүй байдлаар илрүүлжээ. Тэд антенны чиглэлээс үл хамааран сансраас ирж буй сул дэвсгэр радио дуу чимээг илрүүлжээ. Дик, Пиблз, Ролл, Вилкинсон нар Пензиас, Вилсон хоёрын хэмжилтийн талаархи сансар судлалын тайлбарыг Орчлон ертөнцийн халуун загварын нотолгоо болгон нэн даруй өгчээ. Энэ үед Дик болон түүний хамтрагчид өөрсдөө 3-р долгионы урттай сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацрагаас радиофон хайх төхөөрөмж бэлтгэж байв. см. Пензиас, Вилсон нарын анхны ажиглалтыг 7.35 долгионы урттай хийсэн см. Тэд цацрагийн температур 3 ° үнэмлэхүй Кельвин болохыг харуулсан. Дараагийн жилүүдэд хэдэн арван сантиметрээс миллиметрийн фракц хүртэлх янз бүрийн долгионы уртад олон тооны хэмжилт хийсэн.
Ажиглалтууд нь халуун орчлон ертөнцийн онолоор урьдчилан таамаглаж байсанчлан цацрагийн спектр тэнцвэрт байдалд байгааг харуулсан. Энэ нь 2.7 К температуртай тэнцвэрт цацрагийн Планкийн томьёотой тохирч байна. Зураг дээр. 21 нь тоолуурын радио долгионоос хэт ягаан туяа хүртэлх орон зай дахь цахилгаан соронзон цацрагийн бүх спектрийг харуулж байна.
* (Мэдээжийн хэрэг, энэ бол одод болон бусад эх үүсвэрээс хол орчлон ертөнцөд дунджаар байдаг цацрагийн спектр юм.)
§ 3-р бүлэгт авч үзсэн радио галактик гэж нэрлэгддэг галактикууд нь метр долгионоор цацруулдаг. 1. Тэд хүчирхэг соронзон орон, энергийн электронуудтай. Соронзон орон дахь электронуудын хөдөлгөөн нь радио цацраг үүсгэдэг. Үзэгдэх гэрлийн бүсэд одод хэт улаан туяаны бүсэд гэрэл ялгаруулдаг бөгөөд оддын гэрлээр халсан тоос нь ихэвчлэн гэрэлтдэг. Хэт улаан туяаны цацрагийн бусад эх үүсвэрүүд бас боломжтой. Эдгээр хоёр бүсийн хооронд, радио долгион ба үзэгдэх гэрэл (болон хэт улаан туяаны эх үүсвэр) нь сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацраг давамгайлж буй спектрийн бүс юм.
Одон орон судлаачид 1941 онд сансрын бичил долгионы арын цацрагийн анхны илрэлийг нээсэн нь сонирхолтой юм. Тэр үед астрофизикч МакКеллар цианоген радикалууд 2.3 К орчим өдөөх температуртай тэнцэх өдөөлттэй эргэлтийн төлөвт од хоорондын хий ажиглагдаж байгааг тэмдэглэсэн нь сонирхолтой юм. Дараа нь молекулуудыг юу өдөөдөг нь тодорхойгүй хэвээр байв. Сансрын богино долгионы арын цацрагийг нээсний дараа И.С.Шкловский болон бие даан Филд, Вульф, Тадеуш болон бусад эрдэмтэд үүнийг сансрын бичил долгионы фон цацрагаар молекулуудын өдөөлтөөр тайлбарлав. CN спектрийн харгалзах молекулын шугамыг ажигласнаар λ ≈ 0.26 долгионы урттай CMB цацрагийн температурыг тооцоолоход тусалсан. см.
Хэрэв бид ижил долгионы уртад өөр өөр чиглэлээс ирж буй сансрын бичил долгионы арын цацрагийн эрчмийг хэмжих юм бол хэмжилтийн нарийвчлалын хүрээнд энэ нь ижил байх болно. Хэмжилтийн нарийвчлал нь аравны нэг хувь юм. Энэ нөхцөл байдал нь орчлон ертөнцийн тэлэлт изотропик байдлаар зөвхөн одоо төдийгүй, материйн нягт одоогийнхоос хэдэн мянга дахин их байсан алс холын үед тохиолдож байдгийн чухал нотолгоо юм. Эцсийн эцэст, орчлон ертөнц одоо сансрын бичил долгионы арын цацрагт бараг ил тод болсон бөгөөд энэ нь бидэнд маш хол зайнаас ирдэг. Энэ талаар бид бүлгийн 8-р зүйлд илүү дэлгэрэнгүй ярих болно. 3. Орчлон ертөнц Фрийдманы онолд захирагдахгүй байх боломж зөвхөн тэлэлтийн эхний үе шатанд л үлддэг!
Сансрын богино долгионы арын цацраг нь оддын гэрэл, радио галактикт үүссэн радио долгион гэх мэт ямар ч эх үүсвэрээс үүссэнгүй. НМХ нь орчлон ертөнц тэлэлтийн эхэн үеэс бий болсон. Чухамхүү орчлон ертөнцийн тэрхүү халуун материд онцгой байдлаасаа улам тэлж байв.
Хэрэв бид өнөөдрийн сансар огторгуйн бичил долгионы дэвсгэр цацрагт агуулагдах эрчим хүчний нягтын нийт хэмжээг тооцвол од, радио галактик болон бусад эх үүсвэрийн цацрагийн энергийн нягтралаас 30 дахин их байх болно. Орчлон ертөнцийн шоо см тутамд олдсон сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацрагийн фотонуудын тоог тоолж болно. Эдгээр фотонуудын концентраци нь:
Орчлон ертөнц дэх энгийн бодисын дундаж нягт нь ойролцоогоор 10-30 (г / см 3) байдаг гэдгийг санацгаая (1-р бүлгийг үз). Энэ нь хэрэв бид бүх бодисыг сансар огторгуйд жигд "тархвал" нэг шоо метрт ердөө 1 атом байх болно гэсэн үг юм (Орчлон ертөнцийн хамгийн түгээмэл элемент болох устөрөгчийн атомын масс 10-24 гр орчим байдаг гэдгийг санаарай) . Үүний зэрэгцээ нэг шоо метр нь реликт цацрагийн тэрбум орчим фотоныг агуулдаг.
Иймээс цахилгаан соронзон долгионы квантууд буюу эдгээр өвөрмөц бөөмс нь байгальд энгийн бодисоос хамаагүй өргөн тархсан байдаг. § 2-р бүлэгт. 3-т цахилгаан соронзон долгионы квантуудын тоог хүнд бөөмсийн тоонд харьцуулсан харьцаа нь орчлон ертөнцийн энтропийг тодорхойлдог гэж хэлсэн. Манай тохиолдолд энэ харьцаа нь *
* (Хэмжилтээр нэгж эзэлхүүн дэх фотонуудын тоог сайн мэддэг гэдгийг анхаарна уу, гэхдээ бид Бүлэгт үзсэн шиг энгийн бодисын нягт. 1 нь хамаагүй бага мэддэг. Иймд (6) хамаарал нь тухайн бодисын нягтралын сайжруулалтаас хамаарч тоон хувьд өөрчлөгдөж болох тул хэрэв энэ нягт нь ρ криттэй тэнцүү бол S = 10 8 байна.)
Тиймээс Орчлон ертөнцийн энтропи асар их юм. Харьцаа (6) нь бидний хэлсэнчлэн орчлон ертөнцийн хувьслын явцад бараг өөрчлөгддөггүй.
Сансрын богино долгионы арын цацрагийг нээсэн нь орчин үеийн шинжлэх ухааны асар том ололт юм. Энэ нь тэлэлтийн эхний үе шатанд орчлон ертөнц халуун байсан гэж хэлэх боломжийг бидэнд олгодог. Сансар огторгуйн бичил долгионы арын цацрагийг урьдчилан таамаглах нь орчлон ертөнцийг тэлэх онолын хүрээнд хийгдсэн тул түүний нээлт нь А.А.Фридманы бүтээлээр заасан сансар судлалын хувьд зөв, үр дүнтэй болохыг дахин харуулж байна.