Одним із найважливіших у космології є питання: як, завдяки яким процесам стало можливим спостережуване співвідношення у кількості хімічних елементів – від водню до урану. І якщо відбувалися певні процеси їх ускладнення, то за якими схемами, за яких фізичних умов (густин, температур тощо). Відповіді на ці питання частково зумів дати у 1946 р. Георгій Гамов (народився в Одесі, з 1934 р. жив у США). Пригляньмося до цієї ситуації уважніше. Зі спостережень випливає, що гелію в природі близько 30%, водню – близько 70%, на всі інші хімічні елементи припадає менше 1% маси речовини. Спостережувана кількість гелію не могла утворитися внаслідок термоядерних реакцій. Справді, при сталій світності Галактики, що дорівнює 1037 Вт, протягом 14·109 років – часу, що минув від початку розширення Всесвіту, – унаслідок термоядерних реакцій в зорях виділилася енергія близько 4·1054 Дж. При утворенні одного ядра гелію звільнюється енергія 2,5·10–12 Дж. Як видно, за час існування Галактики, маса якої 4·1041 кг, у ній утворилося 1066 ядер атомів гелію, або 7,6·1039 кг. Таким чином, за рахунок термоядерних реакцій у Галактиці могло утворитися близько 2% гелію за масою. Отже, основна маса гелію була в речовині, з якої формувалися зорі Галактики, з початку. Гамов виходив з явлення: tH років тому вся речовина галактик, перед початком розльоту, була у певному щільному стані (для неї запозичено в Аристотеля назву – ілем) і температура там сягала мільярдів градусів. При розширенні цієї первинної дозоряної речовини і мали б утворюватися водень, гелій та всі інші хімічні елементи. Однак виявилося, що за цих умов з уже наявних протонів і нейтронів утворюються лише ядра гелію, але якраз у кількості, що відповідає спостереженням! Ще – невелика кількість літію. Для стану на момент початку розширення Гамов придумав вдалу назву – Великий Вибух. Повторимось: він прийняв, що температура у Всесвіті в момент «Великого вибуху» сягала мільярдів градусів. Інакше кажучи, на ранніх стадіях розширення Всесвіт був гарячим, а отже, заповненим квантами високих енергій. У процесі розширення Всесвіту енергія кожного фотона зменшується. Тому, твердив Гамов (1956 р.), у наш час спектральний розподіл енергії цих квантів повинен відповідати випромінюванню чорного тіла, нагрітого до температури 5-6 К, і шукати його треба у сантиметровому діапазоні радіохвиль. "З легкої руки" Й.С. Шкловського, це випромінювання названо реліктовим радіовипромінюванням. Інша його назва – космічний мікрохвильовий фон (КМФ). Певні дані щодо реальності існування цього фону отримав 1941 р. канадський учений Ендрю Мак-Келлар, у середині 50-х років у Пулково Т.А. Шмаонов, однак ні перший, ні другий не знали про теоретичні оцінки Г. Гамова, Тож Нобелівську премію 1978 р "За відкриття мікрохвильового реліктового випромінювання" отримали у 1965 р. американські вчені Арно Пензіас і Роберт Вільсон, хоча їх метою було усього лише вивчення радіовипромінювання нашої Галактики. Для цього вони розробили методику використання радіотелескопа, призначеного спочатку для прийому на довжині хвилі λ = 7,3 см. сигналів, відбитих від супутника «Ехо». За допомогою спеціального модулятора їхній приймач міг виділяти корисний сигнал на тлі шуму, котрий виникає у кожному приймачі. Інтенсивність шуму тут у 1000 (!) разів перевищувала інтенсивність самого сигналу. Все ж Пензіасу й Вільсону вдалося зареєструвати випромінювання, інтенсивність якого в зеніті відповідала температурі 6,7 К (рис. 1.3). Строгий аналіз привів до висновку, що з цієї величини 2,7 К пов’язано з випромінюванням земної атмосфери, а 0,9 К – з випромінюванням окремих вузлів радіоприймача. Отже, міжгалактичний простір заповнений квантами низької частоти. При температурі Т = 2,725 ± 0,001 К густина енергії цих квантів становить u = аRТ4 ≈ 4∙10-20 Дж/см3 (тут аR = 7,56∙10-22 Дж/см3/К4 – стала випромінювання). Середня енергія одного кванта ≈ 2,7 k Т ≈ 10-22 Дж (k = 1,38∙10-23 Дж/К – стала Больцмана). Таким чином, середнє число квантів в одиниці об’єму Nγ = u / ≈ 400 см-3. Тим часом за сучасної середньої густини речовини у Всесвіті ρ ≈ 10-30 г/см3 це дає концентрацію частинок N = ρ/mН ≈ 5∙10-7 см-3 (mН = 1,67∙10-24 г – маса атома водню). Отже, у Всесвіті на кожен нуклон припадає близько 1 млрд. фотонів! Густину маси, еквівалентної згаданій густині енергії u, знаходимо за формулою спеціальної теорії відносності г/см3 (1.4) – таке значення майже на чотири порядки менше від середньої густини речовини у Всесвіті. Це означає, що в наш час реліктове випромінювання зовсім не впливає на особливості розширення Всесвіту. Також доречно звернути увагу на можливу роль реліктового радіовипромінювання як певної привілейованої системи відліку. Справді, можна уявити, що наша Галактика з її мільярдами зір, зокрема із Сонцем, занурена в море низькочастотних фотонів, які рівномірно з усіх боків пронизують місцезнаходження спостерігача. Коли ж цей спостерігач рухається зі швидкістю υ, то реєструватиме надлишкову інтенсивність реліктового випромінювання у напрямі свого руху і меншу – з протилежного боку. Відповідно величина зареєстрованої ним температури становитиме T(θ) ≅ T0 (1 + cosθ), (1.5) де θ – кут між вектором швидкості руху спостерігача і напрямом осі радіотелескопа. Надлишок інтенсивності, що відповідає надвишкові температури
і справді виявлено орієнтовно у напрямі на сузір’я Лева. Звідси випливає, що стосовно «фону реліктового випромінювання» (для опису якого вживають ще назву «космічний субстрат» або ще, за аналогією до класичної електродинаміки, «неоефір») Сонячна система рухається зі швидкістю и ≈ 400 км/с, а центр нашої Галактики – зі швидкістю V ≈ 600 км/с саме у напрямі на сузір’я Лева. Це означає також, що з «неоефіром» можна пов’язати систему координат, супутню космічному субстрату, як також – запровадити всесвітній космологічний час. І нарешті, високий ступінь ізотропії реліктового радіовипромінювання свідчить, що Всесвіт у великих масштабах однорідний.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Два здогади Гамова» з дисципліни «Фрагменти космології»
