ВВЕДЕНИЕ В КОСМОЛОГИЮ АЛЕКСЕЙ ГЛАДЫШЕВ (ОИЯИ, Дубна & ИТЭФ, Москва) БАЙКАЛЬСКАЯ ШКОЛА ПО ФИЗИКЕ ЧАСТИЦ И АСТРОФИЗИКЕ И АСТРОФИЗИКЕ 6-12 июля 2005 Большие. - презентация

1 ВВЕДЕНИЕ В КОСМОЛОГИЮ АЛЕКСЕЙ ГЛАДЫШЕВ (ОИЯИ, Дубна & ИТЭФ, Москва) БАЙКАЛЬСКАЯ ШКОЛА ПО ФИЗИКЕ ЧАСТИЦ И АСТРОФИЗИКЕ И АСТРОФИЗИКЕ 6-12 июля 2005 Большие Коты

2 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology2 Before you go full steam ahead, it is wise to check that you are on the right track

3 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology3 Вопросы «Сравним километр с килограммом» «Что? Где? Когда? Почем?» «Горе от ума» «Очень близкая галактика» «Очень далёкая галактика» «Красный или зелёный? Или как обмануть полицейского» «Утомлённый свет» «Ресторан на краю Вселенной» По материалам статьи «Парадоксы Большого взрыва», В мире науки 7, июль 2005; беседы с Сергеем Эммануиловичем и собственных размышлений

4 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology4 «Сравним километр с килограммом» Вопрос: Чему равен один километр в килограммах?

5 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology5 «Сравним километр с килограммом» Вопрос: Чему равен один километр в килограммах? Справка: 1 см = ГэВ –1 1 Гэв = –24 г

6 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology6 «Сравним километр с килограммом» Вопрос: Чему равен один километр в килограммах? Справка: 1 см = ГэВ –1 1 Гэв = –24 г Ответ: кг –1

7 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology7 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: ЧТО означает расширение Вселенной?

8 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology8 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: ЧТО означает расширение Вселенной? Ответ: Расширение Вселенной означает расширение пространства. Хорошая аналогия – раздувающийся воздушный шар. Галактики, находящиеся на поверхности шара неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними увеличивается.

9 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology9 Задачка от Сергея Эммануиловича Вопрос: Произошел взрыв … Разлетелись осколки … Как всё это выглядит в системе отсчета, связанной с одним из осколков?

10 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology10 Задачка от Сергея Эммануиловича Вопрос: Произошел взрыв … Разлетелись осколки … Как всё это выглядит в системе отсчета, связанной с одним из осколков? Ответ:Точно так же.

11 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology11 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: ГДЕ (в каком месте Вселенной) находился эпицентр Большого Взрыва?

12 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology12 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: ГДЕ (в каком месте Вселенной) находился эпицентр Большого Взрыва? Ответ:Везде. Большой Взрыв произошел повсеместно, в отличие от взрыва бомбы, которая взрывается, а осколки разлетаются во все стороны.

13 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology13 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: КОГДА (сколько лет назад) произошел самый Большой Взрыв в истории?

14 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology14 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: КОГДА (сколько лет назад) произошел самый Большой Взрыв в истории? Ответ: Зависимость масштабного фактора от времени Отсюда получаем

15 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology15 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: КОГДА (сколько лет назад) произошел самый Большой Взрыв в истории? Ответ: Предполагая, что во Вселенной преобладает вещество, а не излучение, т.е. w=0, и используя Н=71 км/с/Мпк получаем оценку для возраста Вселенной Результат WMAP t 0 = миллиардов лет

16 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology16 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: ПОЧЕМУ произошел Большой Взрыв? А что было до него? И было ли вообще?

17 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology17 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: ПОЧЕМУ произошел Большой Взрыв? А что было до него? И было ли вообще? Подсказка:Вспомните, с какого момента мы рассматривали историю Вселенной.

18 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology18 «Что? Где? Когда? Почем?» Вопрос: ПОЧЕМУ произошел Большой Взрыв? А что было до него? И было ли вообще? Подсказка:Вспомните, с какого момента мы рассматривали историю Вселенной. Ответ: Теория Большого взрыва не дает никакой информации о том что было до Большого взрыва и что послужило его причиной. Считается что в его момент образовалось само пространство-время.

19 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology19 «Горе от ума» Вопрос:Насколько увеличивается размер головы умного студента Иркутского университета за годы учёбы вследствие расширения пространства?

20 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology20 «Горе от ума» Вопрос:Насколько увеличивается размер головы умного студента Иркутского университета за годы учёбы вследствие расширения пространства? Справка:Диаметр головы = 20 см Время в пути до диплома 5 лет

21 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology21 «Горе от ума» Вопрос:Насколько увеличивается размер головы умного студента Иркутского университета за годы учёбы вследствие расширения пространства? Справка:Диаметр головы = 20 см Время в пути до диплома 5 лет Ответ: м

22 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology22 «Горе от ума» Вопрос:А имеет ли вообще смысл предыдущий вопрос? Варианты ответов:1. Да. Почему? 2. Нет. Почему?

23 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology23 «Горе от ума» Вопрос:А имеет ли вообще смысл предыдущий вопрос? Ответ: Конечно же 2. Нет. Хотя мы и говорим о расширении пространства, мы говорим только о космологическом расширении. Т.е. объекты, находящиеся в нем не меняют своих размеров.

24 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology24 «Горе от ума» Вопрос:А имеет ли вообще смысл предыдущий вопрос? Ответ: Конечно же 2. Нет. Хотя мы и говорим о расширении пространства, мы говорим только о космологическом расширении. Т.е. объекты, находящиеся в нем не меняют своих размеров. Это справедливо и для скоплений галактик. Вселенная расширяется, но связанные объекты в ней не делают этого. Соседние галактики сначала удаляются, но в конечном счете их взаимное притяжение пересиливает расширение. Формируется скопление такого размера, которое соответствует его равновесному состоянию.

25 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology25 «Горе от ума» Вопрос:Какая картинка правильная?

26 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology26 «Очень близкая галактика» Вопрос:Ближайшая к нам крупная галактика – Туманность Андромеды (М31) согласно наблюдениям движется к нам, а не от нас. Не противоречит ли это закону Хаббла?

27 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology27 «Очень близкая галактика» Вопрос:Ближайшая к нам крупная галактика – Туманность Андромеды (М31) согласно наблюдениям движется к нам, а не от нас. Не противоречит ли это закону Хаббла? Ответ: Нисколько. Закон Хаббла выводится в предположении отсутствия у галактик скоростей, связанных с их собственным движением (а оно есть у всех !). Наша галактика и М31 движутся в основном под действием взаимного притяжения. Для далеких галактик закон Хаббла справедлив с высокой точностью.

28 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology28 «Очень далёкая галактика» Вопрос: С какой скоростью удаляется от нас галактика, находящаяся на расстоянии 4300 Мпк ?

29 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology29 «Очень далёкая галактика» Вопрос: С какой скоростью удаляется от нас галактика, находящаяся на расстоянии 4300 Мпк ? Ответ:

30 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology30 «Очень далёкая галактика» Вопрос: В чем парадокс и может ли такое быть?

31 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology31 «Очень далёкая галактика» Вопрос: В чем парадокс и может ли такое быть? Ответ:Парадокса никакого нет. Согласно закону Хаббла начиная с некоторого расстояния (хаббловского расстояния) галактики действительно удаляются от нас со сверхсветовой скоростью. Хаббловское расстояние соответствует примерно z=1.5. Обнаружено уже больше 1000 таких галактик.

32 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology32 «Очень далёкая галактика» Это не является нарушением теории относительности. Почему?

33 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology33 «Очень далёкая галактика» Вопрос: Можно ли увидеть свет от галактики находящейся дальше хаббловского расстояния (т.е. двигающихся со скоростью, превышающей скорость света)? Варианты ответов:1. Да. Почему? 2. Нет. Почему?

34 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology34 «Очень далёкая галактика» Вопрос: Можно ли увидеть свет от галактики находящейся дальше хаббловского расстояния? Ответ:1. Да, поскольку скорость расширения меняется со временем. Сначала фотон сносится расширением. Но хаббловское расстояние увеличивается и фотон в конце концов может попасть в сферу Хаббла

35 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology35 «Красный или зелёный ?» Вопрос: С какой скоростью нужно приближаться к светофору, чтобы красный свет показался зелёным? Справка: Длина волны красного света равна ~ 0,6-0,7 мкм Длина волны зелёного света равна 0,48 мкм Ответ:

36 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology36 «Красный или зелёный ?» Вопрос: ЧТО общего между эффектом Допплера, и космологическим красным смещением? В чём различие?

37 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology37 «Красный или зелёный ?» Вопрос: ЧТО общего между эффектом Допплера, и космологическим красным смещением? В чём различие? Ответ: Космологическое красное смещение не имеет никакого отношения к эффекту Допплера. За время пути от далекой (практически неподвижной !) галактики длина волны становится больше, поскольку пространство расширяется. Поэтому свет постепенно краснеет.

38 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology38 «Красный или зелёный ?»

39 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology39 «Утомлённый свет» Вопрос: А может быть причина красного смещения не в расширении Вселенной?

40 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology40 «Утомлённый свет» Вопрос: А может быть причина красного смещения не в расширении Вселенной? Предположение: Красное смещение в спектрах галактик вызвано не расширением Вселенной, а чем-то вроде «утомления» от долгой поездки. Некий неизвестный процесс вынуждает свет терять энергию и поэтому краснеть.

41 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology41 «Утомлённый свет» Вопрос: А может быть причина красного смещения не в расширении Вселенной? Ответ:Гипотеза усталости не согласуется с наблюдениями. Сверхновые при взрыве сначала вспыхивают, затем тускнеют. Процесс занимает ~2 недели. Гипотеза усталости говорит о том, что свет покраснеет, но мы все равно будем наблюдать процесс 2 недели. Но наблюдения говорят другое. Вспышка сверхновой в галактике с z=0.5 длится 3 недели, а в галактике с z=1 – месяц. В чем причина?

42 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology42 «Ресторан на краю Вселенной» Вопрос: Вам позвонил друг «заседающий» в ресторане, расположенном на краю Вселенной? Какое расстояние разделяет вас в тот момент, когда Вы сказали «Алло»?

43 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology43 «Ресторан на краю Вселенной» Вопрос: Вам позвонил друг «заседающий» в ресторане, расположенном на краю Вселенной? Какое расстояние разделяет вас в тот момент, когда Вы сказали «Алло»? Ответ: Казалось бы расстояние равно ct, где t – возраст Вселенной (~14 миллиардов лет).

44 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology44 «Ресторан на краю Вселенной» Вопрос: Вам позвонил друг «заседающий» в ресторане, расположенном на краю Вселенной? Какое расстояние разделяет вас в тот момент, когда Вы сказали «Алло»? Ответ: Казалось бы расстояние равно ct, где t – возраст Вселенной (~14 миллиардов лет). Но, объект, из стен которого испущен радиосигнал продолжает удаляться, причем со сверхсветовой скоростью! Истинное расстояние до «ресторана» оказывается примерно в 3 раза больше! Примерно 46 млрд световых лет!

45 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology45 «Ресторан на краю Вселенной»

46 December 11, 2013 A Gladyshev Introduction to Cosmology46 THE END