Черни дупки и Вселена в светлината на Теорията на относителността

С новите познания, които имаме от разглеждането на Специалната и Общата теория на относителността сега можем да се върнем на въпросите за Вселената.

Черните дупки

Немският астроном Шварцшилд придал математическа точност на изкривяването, извършил изчисления и предсказал, че ако отношението между масата и радиуса на сферично тяло е над критична стойност, тогава изкривяването на пространството е толкова голямо, че нищо, което се приближи прекалено много, не може да го напусне. Това е черна дупка, а границата е наречена хоризонт на събитията. Ако човек се доближи на 10 cm от хоризонта на събитията и остане там 1 година, времето ще тече толкова бавно, че когато се той върне на Земята тук ще са минали около 10 000 години.

Вселената

Ако Теорията на относителността се приложи за цялата Вселена ще получим, че тя не е статична, а се променя. Айнщайн въвел космологична константа, с която преработил уравненията и "направил" Вселената неизменна. Хъбъл доказал, че фактически Вселената се разширява, което значи, че ОТО е била вярна преди корекцията. Ако галактиките наистина се раздалечават една от друга, то можем да върнем мислено времето назад и да стигнем до извода, че всичко е започнало от една точка. Но идеята не е, че тази точка е избухнала и се разширява в пространството, а че самото пространство (и време) не са съществували преди Големия взрив и след взрива то започва да се разгръща като океан заедно с всичката материя и енергия вътре в него.

Астрономи експлоадират виртуална звезда!

С години астрономите се опитват напразно да взривят звезда с размера на Земята, използвайки компютърни кодове. Най-накрая успяха. Получената 3D-симулация разкрива стъпка по стъпка как протича това явление. Т. нар. бели джуджета — звезди с размера на Земята и масата на Слънцето — свършват дните си забележително. Когато енергията им започне да свършва, те експлоадират в така наречените свръхнови тип-1а, от които учените смятат, че произлиза повечето желязо във Вселената.

При предишни опити да се симулира такава експлозия учените трябваше да казват на компютърния модел кога да детонира звездата, което значи, че моделът не е добър. С нагаждане и промени на кодовете учени от Чикагския университет създали естествени детонации в опростени двуизмерни симулации. Използвайки екстремни компютърни ресурси, екипът направил и 3D-симулация.

Виртуалният експеримент потвърдил това, което учените очаквали от предишни тестове: Звездите се детонират и превръщат в свръхнови чрез свръхзвуков процес, напомнящ възпламеняването в дизелов двигател. При този тип двигатели не искра, а налягането на газа причинява запалването му. Въпреки че компютърната симулация отнела 58 000 часа и 700 компютърни процесора, целият катаклизъм — от начало до край — е 3 секунди (линк).

Резултатите разкриват сложна, но изчистена поредица от събития, завършваща с взрив. Част от секундата преди смъртта на звездата в центъра й се образува огнено балонче с размер 15 km. Веднага след това то се изстрелва с близо 2000 km/h към повърхността. Една секунда по-късно, на другия край на бялото джудже, огнената вълна се сблъсква със себе си и задейства експлозията.

Възможността тук, на Земята, да се направи експеримент със свръхнови тип-1а може да хвърли светлина върху загадъчната сила — тъмната енергия — която се противопоставя на гравитацията и кара Вселената да се разширява.

(от SPACE.com)

Тестове на теорията на Големия взрив

Разширението

Големият взрив е модел, който произтича по естествен начин от Общата теория на относителността, приложена към хомогенна вселена. През 1917 година обаче идеята за разширяваща се вселена била абсурдна. Затова Айнщайн измислил терминът космологична константа, с която теоретично направил вселената статична. През 1929 година Едуин Хъбъл обявил, че според неговите наблюдения на галактики отвъд нашия Млечен път, те систематично се отдалечават със скорост, пропорционална на квадрата на разстоянието им до нас. Колкото по-далеч е галактиката, толкова по-бързо се отдалечава. В крайна сметка вселената се разширява — точно както в началото предсказвала Общата теория на относителността. Хъбъл установил, че светлината от коя да е галактика се отмества към червения край на светлинния спектър толкова повече, колкото по-далеч е тя от нас.

Ако вселената действително се разширява еднакво във всички посоки, то ние бихме наблюдавали точно гореописаното поведение на галактиките. Освен това никоя галактика няма да е привилегирована и да заема централно място. Откритието на Хъбъл отговаря на хомогенна разширяваща се вселена.

Нуклеосинтез в ранната вселена

Терминът нуклеосинтез означава образуване на по-тежки химични елементи — атомни ядра с много протони и неутрони — от по-леки елементи. Теорията на Големия взрив предсказва, че ранната вселена е била много горещо място. Секунда след него температурата била 10 милиарда градуса и всичко било изпълнено от неутрони, протони, електрони, позитрони, фотони и неутрино. С охлаждането неутроните или се разпадали на протони и електрони, или се комбинирали с протоните и образували деутерий (изотоп на водорода). През първите три минути повечето деутерий се свързал в хелий. Има и следи от литий от това време.

Предсказаното изобилие от деутерий, хелий и литий зависи от плътността на обикновената материя в ранната вселена, както се вижда на графиката. Според резултатие количеството хелий зависи много слабо от изобилието на обикновена материя (над определена граница). Очакванията на учените са, че 24% от материята във вселената е хелий, образуван при Големия взрив. Това съответства много добре на наблюденията.

Общоприетият в момента модел може да се тества още. За да отговарят предсказаните количества други леки елементи на наблюденията трябва плътността на обикновената материя да е 4% от критичната плътност. (защо?) Сателитът WMAP би трябвало да успее директно да измери плътността на обикновената материя и да сравни получените резултати с очакваните от теорията на нуклеосинтеза при Големия взрив. Това ще бъде важен и неоспорим тест на модела. Ако резултатие съвпадат, те ще потвърдят теорията на Големия взрив. Ако не съвпадат, тогава:

1) данните са грешни,
2) не разбираме достатъчно процесите на нуклеосинтез в ранната вселена,
3) погрешно разбираме механизмите, които причиняват флуктуации в микровълновото фоново лъчение, или
4) има фундаментален проблем в теорията на Големия взрив.

Нуклеосинтез в звездите

По-тежките от литий елементи се синтезират в звездите. През късните етапи на звездната еволюция масивните звезди изгарят хелий и образуват въглерод, кислород, силиций, сяра и желязо. По-тежките от желязо елементи се получават по два начина:

• във външните слоеве на свръхгигантски звезди и
• при експлозиите на свръхнови.

Микровълново фоново лъчение

Равномерното разпределение на това много слабо, но доловимо лъчение по целия небосклон е още един много силен аргумент в защита на Големия взрив.

Специална и обща теория на относителността

(бележки по "Елегантната вселена")

Как Айнщайн решава проблема за времето и пространството чрез своята Специална теория на относителността (СТО)

А проблемът е: Ако наблюдател се движи със скоростта на светлината, то тя трябва да застине неподвижна за него, но според теорията на Максуел и експериментите това не може да стане. Според СТО взаимно движещите се наблюдатели възприемат времето и пространството различно. Това е директно следствие от принципа на относителността (който седи в основата на теориите на Айнщайн).

Принцип на относителността: Движението (скорост, направление) е относително и всяко едно тяло във вселената може да се приеме за неподвижно.

Пример: Ако астронавт в дълбокия космос, далеч от всякакви звезди, планети, космически кораби, и върху който не действат никакви външни сили, види друг приближаващ се астронавт, той ще предположи, че е неподвижен, а другият се движи. Обаче същото ще предположи и вторият астронавт. И двамата са прави, защото движението е относително.

И обобщение: "Законите на физиката — каквито и да са те — трябва да са абсолютно идентични за всички наблюдатели, които се движат равномерно и праволинейно."

Другата част от СТО е свързана със скоростта на светлината. Скоростта на светлината е 300000 km/s независимо от отправния обект!

Използвайки тези два факта: постоянната скорост на светлината и принципа на относителността, стигаме до удивително откритие! Времето, мерено с движещ се часовник тече по-бавно, отколкото мереното с неподвижен часовник време. Колкото по-бързо се движи подвижният часовник, толкова по-бавно тече времето на него.

Това, разбира се, значи, че движещ се човек ще остарява по-бавно, но само от гледна точка на неподвижния наблюдател. Освен че ще остарява по-бавно, този човек и ще живее по-бавно, и всички физиологични функции ще текат по-бавно, но няма да живее повече. От принципа на относителността обаче следва, че можем абсолютно еквивалентно да заменим нашият движещ се човек с неподвижния наблюдателя.

Според тази формула, ако часовник се движи със скоростта на светлината v = c, тогава времето, отмерено на него, ще е безкрайно. Този феномен е директно следствие от още едно предположение на Айнщайн — за движението през пространство-времето.

Пространството е съставено от три измерения. Ако към тях добавим времето като четвърто измерение, тогава Айнщайн изказва следното твърдение: Всички неща във Вселената се движат през пространство-времето с постоянна скорост, при това равна на скоростта на светлината. Когато едно тяло е в покой спрямо наблюдателя, то проекцията на постоянната му скорост в пространството е нула, а във времето е максимална (тялото старее най-бързо). Когато тялото се движи с някаква скорост в пространството, то проекцията на вектора на скоростта му във времето е по-малка (т.е. тялото старее по-бавно, или часовникът му тиктака по-бавно). Ако тялото се движи със скоростта на светлината в пространството, то проекцията на векора във времето е нула, което значи, че то не старее.

Извод: За частица, движеща се със скоростта на светлината, времето е спряло. Фотоните, които съществуват във Вселената са същите онези, които са се образували в Големия взрив.

E = mc² — прочутата формула на Айнщайн. Какво ни казва тя?

Енергията и масата са завинаги свързани една с друга. Ако вземем една частица и я ускорим до много близка до скоростта на светлината скорост (т.е. придадем й много много енергия), то масата й ще нарастне. И колкото по-масивен става обектът, толкова по-трудно е да го бутаме. Мюон, ускорен до 99.99999999% от скоростта на светлината е над 70 000 пъти по-тежък от мюон в покой. Масата нараства безгранично, т.е. трябва безкрайно много енергия, т.е. е невъзможно нещо да се движи по-бързо от светлината.

Гравитацията и Общата теория на относителността

Конфликтът между теорията на Нютон и теорията на Айнщайн се състои в това, че според Нютон силата на гравитацията зависи само от масите на телата и разстоянието между тях, но не и от някаква скорост на разпространение. С други думи, според теорията на Нютон гравитацията се пренася мигновенно през пространството. За да реши този конфликт Айнщайн прави аналогия между усещането за гравитация и ускорителното движение. Той казва, че те са едно и също явление, защото при ускорително движение (при което се променя или големината, или посоката на скоростта) човек изпитва точно това, което изпитва в гравитационно поле. Ускорение и гравитация са взаимно заменяеми! Това Айнщайн е нарекъл принцип на еквивалентността.

От двете теории на относителността — специалната и общата — може да се направи следното заключение:
"Всички наблюдатели, независимо по какъв начин се движат, имат право да твърдят, че те са стационарни и "останалият свят минава покрай тях", стига да включат подходящо гравитационно поле в описанието на заобикалящата ги среда."

Тук ще опиша мисловн експеримент, който помага да разберем връзката между гравитацията и пространството, която Айнщаин направил. Представи си голяма кръгла платформа, която се върти с постоянна скорост около оста си. На тази платформа има двама души, човек Ч1 пълзи близо до ръба й, а човек Ч2 пълзи по един от диаметрите. Ч1 мери с линия обиколката C, а Ч2 мери радиуса D на платформата. Вече знаем, че движещ се обект търпи лоренцово скъсяване. Линията на Ч1 се е скъсила и той ще измери по-голяма обиколка, докато линията на Ч2 не се е скъсила, защото движението на платформата е перпендикулярно на нея, и радиусът ще е точно измерен. Тогава C/D > π. В евклидовото пространство C = πD, което значи, че платформата и хората на нея не се намират в него. Случаят C > πD е възможен върху седловидна повърхност.

Айнщайн доказва, че всички видове ускорителното движение (или гравитацията) причиняват изкривяване на пространството. Освен това се изкривява и времето. Колкото по-далеч е човек от центъра на платформата, толкова по-бързо се движи, т.е. по-бавно тече времето за него. От принципа на еквивалентността следва, че колкото по-близо е наблюдател до масивно тяло, толкова по-бавно тече времето за него. При това тук, за разлика от равномерно движещи се един спрямо друг наблюдатели, няма симетрия и този, който е по-близо до масивното тяло действително усеща, че времето тече по-бавно за него.

Визуализация на Общата теория на относителността

Това е известната двумерна аналогия за изкривено пространство-време. Формата на пространството отговаря на обектите в него. Така Айнщайн представя обяснение на механизма, по който действа гравитацията. Той дава и решение на конфликта между СТО и теорията на Нютон. Гравитацията не се пренася мигновенно, а изкривяването на тъканта на пространство-времето става със скоростта на светлината.

Фундаментални частици и взаимодействия

В природата съществува материя, която си взаимодейства по милиони различни начини. Физиците са успяли да сведат материята и взаимодействията до няколко основни вида, с които се обясняват всички останали. И материята, и взаимодействията се представят като квантови обекти, които имат дуална природа — хем са частици с маса, хем са вълни — фундаментални частици, за които не е известно да са съставени от други частици.

Материя

Материята е изградена от частици, които се свеждат до елементарни частици — фермиони. Фермионите се делят на кварки и лептони.

Кварките са шест:

• горен (up),
• долен (down),
• очарован (charm),
• странен (strange),
• b-кварк (bottom) и
• t-кварк (top).

Лептоните са също шест:

• електрон,
• мюон,
• таон,
• електронно неутрино,
• мюонно неутрино и
• таонно неутрино.

Гореизброените частици образуват три семейства и всичко, познато ни в природата, е комбинация от тези частици (или античастиците им).

Взаимодействия

Взаимодействията са четири и характеризират всички възможни сили, които крепят Вселената. За всяко взаимодействие се смята, че отговаря частица — бозон.

• гравитационно взаимодействие: отговаря за взаимното привличане, а предполагаемата (неоткрита все още) частица се нарича гравитон,
• електромагнитно взаимодействие: отговаря за електромагнитните сили, частицата му е фотон,
• силно взаимодействие: отговаря за привличането между кварките и между протони и неутрони в ядрата на атомите, частицата му е глуон,
• слабо взаимодействие: отговаря за радиоактивния разпад, частиците му са междинни векторни бозони.

Има и други бозони, някои от които не са елементарни частици, а други играят важна роля в Стандартния модел (теория, обединяваща три от четирите взаимодействия между елементарните частици) — като Higgs бозона, който теоретично е предсказан и физиците се надяват да бъде засечен с новия LHC ускорител на CERN.

Тъмна материя

Една от най-големите главоблъсканици в съвременната астрономия е фактът, че над 90% от Вселената е невидима. Това мистериозно липсващо нещо е наречено "тъмна материя".

Проблемът се появил когато астрономите се опитали да претеглят галактиките. За целта има два метода. Първо, можем да кажем колко тежи една галактика като я наблюдаваме и преценим колко е ярка, и от там да определим масата й.

Вторият начин е да видим как се движат звездите. Всичко във Вселената се върти. Земята се върти около оста си, цялата ни планета обикаля около Слънцето, а то от своя страна се върти заедно с милиардите други звезди около центъра на Млечния път в един огромен космически танц. Като изследваме колко бързо се движат звездите по периферията можем да изчислим колко тежи една галактика. Колкото по-бързо се върти, толкова по-масивна е тя.

Но когато астрономите направили калкулации и по двата метода през 30-те години на миналия век, те се сблъскали с голям проблем. За всяка галактика, която изследвали, двата резултата не съвпадали. Те били уверени, че и двата метода са научно обосновани, защото многократно преди това били тествани. Затова учените стигнали до изумителен извод — там някъде трябва да има нещо, което не можем да видим. Нарекли го "тъмна материя". Тази тъмна материя била наистина важна, защото ако я нямало то галактиките са щяли да се разлетят на части при въртенето си.

Този извод може да звучи странно, но не е чак толкова учудващ. Представи си висока сграда през нощта. Въпреки че се виждат само няколко светещи прозореца на стаи, това не значи, че други стаи няма. Точно като тези стаи с изгасено осветление тъмната материя не се вижда, защото не свети.

В момента астрономите търсят тази материя. Тя може да се състои от много странно звучащи неща като MACHO обекти, WIMP частици и неутрино. Или може би съществуват нови решения, като тъмна енергия и теория на суперструните. Но каквато и да е тази материя, откриването й ще помогне да се отговори на един от основните въпроси в астрономията — каква ще е съдбата на Вселената.

(превод от ВВС)

Неутрино

В началото на миналия век физикът Волфганг Паули си измислил частица, с която да изравни уравненията си. Тя била малка елементарна частица без заряд и маса. Това, което правила е да пренася енергия със скоростта на светлината. Проблемът бил, че дори да съществувала, откриването й щяло да бъде много сложно. Въпреки че частицата на Паули била просто измислена, хората я взели насериозно и я включили в новите теории на елементарните частици. Енрико Ферми я нарекъл неутрино (малък неутрон на италиански). След това кръщене неутриното било прието и търсенето му започнало. След повече от 20 години била засечена частица със същите свойства и неутриното било обявено за реално съществуващо.

Огромен брой неутрино били създадени в Големия взрив. Но те все още се раждат в най-горещите и енергични части на Вселената — свръхнови, избухвания на гама-лъчи, квазари и дори в звезди като нашето Слънце. Докато прочетеш това изречение приблизително 10 милиона неутрино от Слънцето ще са преминали през тялото ти. Когато свършиш с този абзац същите неутрино вече ще са по-далеч от Луната.

Какво е значението им за тъмната материя — липсващата маса на Вселената? Неутриното може да се смята за липсващо, защото то много трудно може да се засече, понеже почти не взаимодейства с обикновената материя. Но ако няма маса как така допринася за тъмната материя?

Мистерията за тъмната материя била открита по същото време, когато било измислено и неутриното и понеже то няма маса, било бързо зачеркнато от списъка с потенциални кандидати. Но през 1998 г. в една японска цинкова мина било направено разтърсващо откритие, което опровергало всички твърдения досега. Учените от проекта "Super-Kamiokande" обявили, че са намерили определен вид неутрино, което имало маса, макар и много малка. Това автоматично върнало тази частица в състезанието за тъмната материя.

Частиците неутрино са известни като "гореща тъмна материя", понеже се движат със скоростта на светлината. Те са в изобилие, но поради малката им маса се предполага, че отговарят за не повече от 25% от липсващата маса.

(превод от ВВС)

WIMP частици

Защо физиците гледат под земята, когато търсят липсващата маса във Вселената — тъмната материя?

Те търсят WIMP частици (Weakly Interacting Massive Particles). Това са вид екзотични частици — кандидати за липсващата тъмна материя във Вселената. Под "екзотични" се разбира различни от обикновените, които изграждат света около нас. WIMP частиците не са били откривани никога, но според физиците може купища от тях да минават незабелязани през нас.

Ако толкова много от тях летят наоколо, как така не сме ги усетили? Всъщност, нищо че са наречени "слаби" (weak), те са удивително силни и могат да минават през твърди тела без въобще да спират. Освен това те не са единствените неща, които ни бомбардират от космоса — има и космически лъчи. Поради тези две причини е изключително трудно да бъдат засечени.

Това, което прави WIMP частиците специални е способността им да минават през твърди тела. Един от най-добрите начини да ги открием е да слезем дълбоко под земята (над 1000 м надолу, в едни от най-дълбоките мини). Плътните скали около мините действат като естествен филтър, в който частиците от космическите лъчи се сблъскват в атомите на скалите и се спират. WIMP частиците от друга страна би трябвало да минат спокойно и да бъдат засечени в галериите дълбоко под скалите.

Екипи от цял свят се състезават да открият дали такива мистериозни частици наистина съществуват. Ако отговорът е да, те ще дадат едно ново парче от пъзела на тъмната материя. Предполага се, че те може да са отговорни за до 90% от тъмната материя във Вселената.

(превод от ВВС)