• Искаков Бахтияр Абуталипович , магистр, доцент, доцент
• Казахский национальный университет им. аль-Фараби

• РАСШИРЕНИЕ
• ПОСТОЯННАЯ ХАББЛА
• ВСЕЛЕННАЯ
• КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ
• ГАЛАКТИКА

Еще сто лет назад представления о Вселенной базировались на ньютоновской механике и евклидовой геометрии. Даже немногие ученые, такие как Лобачевский и Гаусс, допускавшие (только как гипотезу!) физическую реальность неевклидовой геометрии, считали космическое пространство вечным и неизменным. История науки знает немало случаев, когда вокруг идей, считавшихся глубоко альтернативными и малоинтересными, неожиданно формировалась новая мощная исследовательская программа. И, быть может, нынешняя разрозненная альтернативная космология несет в себе зародыш будущего переворота в картине мира.

• Онтологические основания робототехники и образ мышления инженера XXI века
• Связность над распределением в главном расслоенном пространстве допустимых реперов
• Инструментальная реализация прикладной математической подготовки бакалавра экономики и менеджмента
• Средства стохастической подготовки обучающихся на основе информационных технологий

В 1870 году английский математик Уильям Клиффорд пришел к очень глубокой мысли, что пространство может быть искривлено, причем неодинаково в разных точках, и что со временем его кривизна может изменяться. Он даже допускал, что такие изменения как-то связаны с движением материи. Обе эти идеи спустя много лет легли в основу общей теории относительности.

Первые сведения о расширении Вселенной предоставила астроспектрография. В 1886 году английский астроном Уильям Хаггинс заметил, что длины волн звездного света несколько сдвинуты по сравнению с земными спектрами тех же элементов. Четверть века спустя эту возможность по-новому использовал сотрудник обсерватории во Флагстаффе в штате Аризона Весто Слайфер, который с 1912 года изучал спектры спиральных туманностей на 24-дюймовом телескопе с хорошим спектрографом. Для получения качественного снимка одну и ту же фотопластинку экспонировали по нескольку ночей, поэтому проект двигался медленно. В 1917 году он опубликовал данные о радиальных скоростях 25 туманностей, которые показывали значительную асимметрию их направлений. Только четыре туманности приближались к Солнцу, остальные убегали (и некоторые очень быстро). К 1926 году Хаббл провел статистический анализ наблюдений четырех сотен «внегалактических туманностей» (этим термином он пользовался еще долго, избегая называть их галактиками) и предложил формулу, позволяющую связать расстояние до туманности с ее видимой яркостью. Несмотря на огромные погрешности этого метода, новые данные подтверждали, что туманности распределены в пространстве более или менее равномерно и находятся далеко за границами Млечного Пути. Теперь уже не приходилось сомневаться, что космос не замыкается на нашей Галактике и ее ближайших соседях.

Эдвин Хаббл эмпирически выявил примерную пропорциональность красных смещений и галактических дистанций, которую он с помощью формулы Допплера-Физо превратил в пропорциональность между скоростями и расстояниями. Так что мы имеем здесь дело с двумя различными закономерностями. Хаббл не знал, как эти закономерности связаны друг с другом, но что об этом говорит сегодняшняя наука?

Как показал еще Леметр, линейная корреляция между космологическими (вызванными расширением Вселенной) красными смещениями и дистанциями отнюдь не абсолютна. На практике она хорошо соблюдается лишь для смещений, меньших 0,1. Так что эмпирический закон Хаббла не точный, а приближенный, да и формула Допплера-Физо справедлива только для небольших смещений спектра.

А вот теоретический закон, связывающий радиальную скорость далеких объектов с расстоянием до них (с коэффициентом пропорциональности в виде параметра Хаббла V=HD), справедлив для любых красных смещений. Однако фигурирующая в нем скорость V - вовсе не скорость физических сигналов или реальных тел в физическом пространстве. Это скорость возрастания дистанций между галактиками и галактическими скоплениями, которое обусловлено расширением Вселенной. Мы бы смогли ее измерить, только если были бы в состоянии останавливать расширение Вселенной, мгновенно протягивать мерные ленты между галактиками, считывать расстояния между ними и делить их на промежутки времени между измерениями. Естественно, законы физики этого не позволяют. Поэтому космологи предпочитают использовать параметр Хаббла Н в другой формуле, где фигурирует масштабный фактор Вселенной, который как раз и описывает степень ее расширения в различные космические эпохи (поскольку этот параметр изменяется со временем, его современное значение обозначают Н 0). Вселенная сейчас расширяется с ускорением, так что величина хаббловского параметра возрастает.

Измеряя космологические красные смещения, мы получаем информацию о степени расширения пространства. Свет галактики, пришедший к нам с космологическим красным смещением z, покинул ее, когда все космологические дистанции были в 1+z раз меньшими, нежели в нашу эпоху, Получить об этой галактике дополнительные сведения, такие как ее нынешняя дистанция или скорость удаления от Млечного Пути, можно лишь с помощью конкретной космологической модели. Например, в модели Эйнштейна - де Ситтера галактика с z = 5 отдаляется от нас со скоростью, равной 1,1 с (скорости света). А если сделать распространенную ошибку и просто уравнять V/c и z, то эта скорость окажется впятеро больше световой. Расхождение, как видим, нешуточное.

Между тем в конце 1920-х годов Хаббл и Хьюмасон выявили линейную корреляцию между расстояниями до 24 галактик и их радиальными скоростями, вычисленными (в основном еще Слайфером) по красным смещениям. Хаббл сделал из этого вывод о прямой пропорциональности радиальной скорости галактики расстоянию до нее. Коэффициент этой пропорциональности сейчас обозначают Н 0 и называют параметром Хаббла (по последним данным, он немного превышает 70 (км/с)/мегапарсек).

Рисунок 1. Линейную зависимость скорости от расстояния

Статья Хаббла "Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей" с графиком линейной зависимости между галактическими скоростями и дистанциями была опубликована в начале 1929 года. Годом ранее молодой американский математик Хауард Робертсон вслед за Леметром вывел эту зависимость из модели расширяющейся Вселенной, о чем Хаббл, возможно, знал. Однако в его знаменитой статье эта модель ни прямо, ни косвенно не упоминалась. Позднее Хаббл высказывал сомнения, что фигурирующие в его формуле скорости реально описывают движения галактик в космическом пространстве, однако всегда воздерживался от их конкретной интерпретации. Смысл своего открытия он видел в демонстрации пропорциональности галактических расстояний и красных смещений, остальное предоставлял теоретикам. Поэтому при всем уважении к Хабблу считать его первооткрывателем расширения Вселенной нет никаких оснований.

В том же 1931 году Леметр опубликовал краткое (и без всякой математики) описание еще одной модели Вселенной, объединявшей в себе космологию и квантовую механику. В этой модели начальным моментом выступает взрыв первичного атома (Леметр также называл его квантом), породивший и пространство, и время. Поскольку тяготение тормозит расширение новорожденной Вселенной, его скорость уменьшается - не исключено, что почти до нуля. Позднее Леметр ввел в свою модель космологическую постоянную, заставившую Вселенную со временем перейти в устойчивый режим ускоряющегося расширения. Так что он предвосхитил и идею Большого взрыва, и современные космологические модели, учитывающие присутствие темной энергии. А в 1933 году он отождествил космологическую постоянную с плотностью энергии вакуума, о чем до того никто еще не додумался. Просто удивительно, насколько этот ученый, безусловно достойный титула первооткрывателя расширения Вселенной, опередил свое время! (1)

В 2006 году международная группа из трех десятков астрономов проверяла, растягиваются ли во времени взрывы далеких сверхновых звезд, как того требует модель Фридмана. Они получили полное согласие с теорией: вспышки удлиняются ровно во столько раз, во сколько уменьшается частота приходящего от них света - замедление времени в ОТО одинаково сказывается на всех процессах. Этот результат мог бы стать очередным последним гвоздем в крышку гроба теории стационарной Вселенной (первым лет 40 назад Стивен Хокинг назвал космический микроволновый фон), но в 2009 году американский астрофизик Эрик Лернер опубликовал прямо противоположные результаты, полученные другим методом. Он использовал тест поверхностной яркости галактик, придуманныи Ричардом Толманом еще в 1930 году, специально чтобы сделать выбор между расширяющейся и статической Вселенными. В модели Фридмана поверхностная яркость галактик очень быстро падает с ростом красного смещения, а в евклидовом пространстве с «усталым светом» ослабление идет гораздо медленнее. Проверка показала, что данные почти идеально совпадают с моделью «усталого света» и сильно расходятся с фридмановской.

И все-таки, как бы ни вдохновляли космологических «диссидентов» подобные примеры, на сегодня не существует какой-то целостной и хорошо проработанной теории строения и эволюции Вселенной, отличной от стандартной LCDM. То, что собирательно называют альтернативной космологией, состоит из ряда претензий, которые справедливо ставятся на вид сторонникам общепринятой концепции, а также набора перспективных идей разной степени проработанности, которые могут пригодиться в будущем, если появится сильная альтернативная исследовательская программа. Многие сторонники альтернативных взглядов склонны придавать слишком большое значение отдельным идеям или контрпримерам. Они надеются, что, наглядно показав трудности стандартной модели, можно добиться отказа от нее. Но, как утверждал философ науки Имре Лакатос, теорию не могут уничтожить ни эксперимент, ни парадокс. Теорию убивает только новая лучшая теория. Тут пока альтернативной космологии предложить нечего. (2)

Существуют четыре причины красного смещения. Какую из них выбрать для объяснения закона Хаббла - зависимости красного смещение от расстояния?

Таблица 1. Четыре причины красного смещения

Гипотезы старения света - класс опровергнутых гипотез, выдвинутых в качестве альтернативного объяснения зависимости красного смещения от расстояния до объекта (закона Хаббла). В отличие от теорий Большого взрыва и стационарной Вселенной, эти гипотезы не предполагают расширения Вселенной.

Концепция впервые была предложена Фрицем Цвикки в 1929 году, который предположил, что фотоны теряют энергию в результате взаимодействия с гравитационным полем. Альтернативные модели гравитации стационарной Вселенной зачастую используют старение света для объяснения закона Хаббла; среди авторов таких теорий были Эрвин Финлей-Фройндлих и Макс Борн. Среди сторонников теории старения света были пулковскийастрофизик Аристарх Белопольский и одно время сам Эдвин Хаббл.

Сейчас такие гипотезы представляют только исторический интерес, так как противоречат наблюдениям и не могут объяснить весь комплекс имеющихся данных, например, таких как:

• независимость красного смещения от длины волны;
• отсутствие рассеивания света от далёких источников;
• наблюдаемая зависимость длительности таких космических событий как вспышки сверхновых от расстояния до них;
• распространённость лёгких элементов;
• спектр излучения реликтового излучения, совпадающий со спектромабсолютно чёрного тела;
• зависимость поверхностной яркости галактик от красного смещения, согласующаяся с традиционной интерпретацией красного смещения.

В физике, гравитационное красное смещение является проявлением эффекта изменения частоты испущенного некоторым источником света (вообще говоря, любых электромагнитных волн) по мере удаления от массивных объектов, таких как звёзды и чёрные дыры; оно наблюдается как сдвиг спектральных линий близких к массивным телам источников в красную область спектра. Свет, приходящий из областей с более слабым гравитационным полем, испытывает гравитационное синее смещение.

· Эффекты смещения не ограничиваются исключительно электромагнитным излучением, а проявляются во всех периодических процессах вдали от массивного объекта де-бройлевские частоты элементарных частиц (фотонов, электронов, протонов) выше, чем на его поверхности, и все процессы идут с большей скоростью. Данный эффект является одним из частных проявлений гравитационного замедления времени.

Ослабление энергии света, излучаемого звёздами с сильной гравитацией, было предсказано Джоном Митчелломещё в 1783 году, на основе корпускулярного представления о свете, которого придерживался Исаак Ньютон. Влияние гравитации на свет исследовали в своё время Пьер-Симон Лаплас и Иоганн фон Зольднер (1801) задолго до того, как Альберт Эйнштейн в статье 1911 года о свете и гравитации вывел свой вариант формулы для этого эффекта.

Филипп Ленард обвинил Эйнштейна в плагиате за то, что он не процитировал более раннюю работу Зольднера - однако, принимая во внимание, насколько эта тема была забыта и заброшена до того момента, как Эйнштейн вернул её к жизни, практически не подлежит сомнению, что Эйнштейн не был знаком с предыдущими работами. В любом случае, Эйнштейн пошёл намного дальше своих предшественников и показал, что ключевым следствием из гравитационного красного смещения является гравитационное замедление времени. Это была очень оригинальная и революционная идея. Эйнштейн впервые предположил, что потерю энергии фотоном при переходе в область с более высоким гравитационным потенциалом можно объяснить через разность хода времени в точках приёма и передачи сигнала. Таким образом, если время для приёмника и передатчика течёт с разной скоростью, наблюдаемая частота излучения, а вместе с ней и энергия отдельных квантов, тоже будет различной для приёмника и передатчика. В 2010 году физикам удалось измерить эффект замедления в лабораторных условиях.

В нестационарном же случае вообще точным и инвариантным образом отделить «гравитационное» смещение от «доплеровского» невозможно, как например, в случае расширения Вселенной. Эти эффекты - одной природы, и описываются общей теорией относительности единым образом. Некоторое усложнение явления красного смещения для электромагнитного излучения возникает при учёте нетривиального распространения излучения в гравитационном поле (эффекты динамического изменения геометрии, отклонений от геометрической оптики, существования гравитационного линзирования, гравимагнетизма, увлечения пространства и так далее, которые делают величину смещения зависящей от траектории распространения света), но эти тонкости не должны затенять исходной простой идеи: скорость хода часов зависит от их положения в пространстве и времени.

Постоянная Хаббла - коэффициент, входящий в закон Хаббла, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления. Обычно обозначается буквой H. Имеет размерность, обратную времени (H ≈ 2,2·10 −18 с −1), но выражается обычно в км/с на мегапарсек.

Наиболее надёжная оценка постоянной Хаббла на 2013 год составляет 67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк. В 2016 году эта оценка была уточнена до 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк. Таким образом, в современную эпоху две галактики, разделённые расстоянием в 1 Мпк, в среднем разлетаются со скоростью около 70 км/с. В моделях расширяющейсяВселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова. Возраст Вселенной в рамках модели LCDM составляет около (4,354 ± 0,012)·10 17 с или (13,798 ± 0,037)·10 9 лет.

Величина, обратная постоянной Хаббла (хаббловское время t H = 1/H), имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Для современного значения постоянной Хаббла, равного 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк, хаббловское время равно (4,61 ± 0,05)·10 17 с или (14,610 ± 0,016)·10 9 лет. Часто используют также ещё одну производную константу, хаббловское расстояние, равное произведению хаббловского времени на скорость света: D H = ct H = c/H. Для вышеуказанного значения постоянной Хаббла хаббловское расстояние равно (1,382 ± 0,015)·10 26 м или (14,610 ± 0,016)·10 9 световых лет

Часто космологическое красное смещение связывают с эффектом Доплера, который связывают с движением галактик друг относительно друга. Однако на самом деле, космологическое красное смещение происходит несколько по-другому, оно связано с расширением пространства согласно ОТО. В наблюдаемое красное смещение от галактик вносит вклад как космологическое красное смещение из-за расширения пространства Вселенной, так и красное или фиолетовое смещения эффекта Доплера вследствие собственного движения галактик. При этом на больших расстояниях вклад космологического красного смещения становится преобладающим.

Образование космологического красного смещения можно представить так: рассмотрим свет - электромагнитную волну, идущую от далёкой галактики. В то время как свет летит через космос, пространство расширяется. Вместе с ним расширяется и волновой пакет. Соответственно, изменяется и длина волны. Если за время полёта света пространство расширилось в два раза, то и длина волны и волновой пакет увеличивается в два раза

Смысл постоянной Хаббла. Смысл этой постоянной означает, что постоянная Хаббла – это величина, на которую уменьшается частота фотона за один колебание вне зависимости от длины волны. В данный момент известно, что постоянная Хаббла H 0 =67,8±0,77 (км/с)/Мпс. В системе СИ это H 0 =(2,197±0,025)×10 -18 с -1 .

Итак, нам известно, то что при каждом колебании уменьшается частота колебания фотона за счет расширения Вселенной. Мы знаем, что раз изменяется частота, значит, меняется и энергия фотона, тем самым меняется и длина волны. Это означает, что длина волны электромагнитных волн постоянно изменяется, а точнее уменьшается. Куда уходит энергия при уменьшений частоты? Закон сохранения энергии говорит, что энергия просто так не исчезает, она переходит из одного вида в другой. При каждом колебании фотон теряет энергию согласно формуле:

Отсюда можно сделать вывод, что при каждом колебании фотон испускает энергию. Вот в каком виде нам не известно. Можно предположит, что это вид излучения или неизвестная науке частица, но при этом можно оценит примерное значение данной энергии.

Это у нас постоянное число, т.е. определенная константа, существующая в природе. Мы можем называть эту константу постоянной материи, так как это энергия мельчайшей вида материи. Так как это постоянное число, согласно корпускулярно-волновой теории, можно считать, что это частица. Массу частицы, которую мы будем называть частицей А, определим согласно формуле , и m=1,616×10 -68 кг. Согласно корпускулярно-волновой теории это и частица и волна, длина волны которой 1,365×10 26 м, согласно . . Это частица 5,6×10 37 раза легче электрона. Связи с этим можно предположит, что все известные нам частицы состоит из этой частицы А. Все зависит от конфигурации этой частицы в составе других. Может быть существуют множество видов частицы А, но пока не будем забегать так далеко.

Итак, мы установили, что свет за счет потери энергии, при колебание фотона теряет энергию. Связи с этим длина волны света увеличивается и таким образом мы получаем свет разного цвета от фиолетового до красного. Думаю, это относиться и другим видам электромагнитных волн, т.е. они тоже при колебании теряет малую часть энергии и увеличивается длина волны. В то же время нам стало известно, что в природе может существовать мельчайшая частица А, из которых, может быть, состоит все остальные элементарные частицы во Вселенной.

Список литературы

1. Алексей Левин, "Популярная механика"
2. Александр Райков, Александр Сергеев, журнал "Вокруг света"
3. википедиа
4. http://elementy.ru/posters/spectrum/history
5. Сивухин Д. В. Общий курс физики. – М.: Наука, 1977. – Т.3. Электричество. С.364- 688 с.
6. https://astronet.ru
7. А.В. Засов, К.А. Постнов. Галактики и скопления галактик//Общая астрофизика.- Фрязино: Век 2, 2006. – с.412 – ISBN 5-85099-169-7.

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 мегапарсек [Мпк] = 3,08567758128E+19 километр [км]

Исходная величина

Преобразованная величина

метр эксаметр петаметр тераметр гигаметр мегаметр километр гектометр декаметр дециметр сантиметр миллиметр микрометр микрон нанометр пикометр фемтометр аттометр мегапарсек килопарсек парсек световой год астрономическая единица лига морская лига (брит.) морская лига (международная) лига (статутная) миля морская миля (брит.) морская миля (международная) миля (статутная) миля (США, геодезическая) миля (римская) 1000 ярдов фарлонг фарлонг (США, геодезический) чейн чейн (США, геодезический) rope (англ. rope) род род (США, геодезический) перч поль (англ. pole) морская сажень, фатом сажень (США, геодезическая) локоть ярд фут фут (США, геодезический) линк линк (США, геодезический) локоть (брит.) хенд пядь фингер нейль дюйм дюйм (США, геодезический) ячменное зерно (англ. barleycorn) тысячная микродюйм ангстрем атомная единица длины икс-единица ферми арпан пайка типографский пункт твип локоть (шведский) морская сажень (шведская) калибр сантидюйм кен аршин actus (Др. Рим.) vara de tarea vara conuquera vara castellana локоть (греческий) long reed reed длинный локоть ладонь «палец» планковская длина классический радиус электрона боровский радиус экваториальный радиус Земли полярный радиус Земли расстояние от Земли до Солнца радиус Солнца световая наносекунда световая микросекунда световая миллисекунда световая секунда световой час световые сутки световая неделя Миллиард световых лет Расстояние от Земли до Луны кабельтов (международный) кабельтов (британский) кабельтов (США) морская миля (США) световая минута стоечный юнит горизонтальный шаг цицеро пиксель линия дюйм (русский) вершок пядь фут сажень косая сажень верста межевая верста

Конвертер футов и дюймов в метры и обратно

фут дюйм

м

Передача данных и теорема Котельникова

Подробнее о длине и расстоянии

Общие сведения

Длина - это наибольшее измерение тела. В трехмерном пространстве длина обычно измеряется горизонтально.

Расстояние - это величина, определяющая насколько два тела удалены друг от друга.

Измерение расстояния и длины

Единицы расстояния и длины

В системе СИ длина измеряется в метрах. Производные величины, такие как километр (1000 метров) и сантиметр (1/100 метра), также широко используются в метрической системе. В странах, где не пользуются метрической системой, например в США и Великобритании, используют такие единицы как дюймы, футы и мили.

Расстояние в физике и биологии

В биологии и физике часто измеряют длину намного менее одного миллиметра. Для этого принята специальная величина, микроме́тр. Один микроме́тр равен 1×10⁻⁶ метра. В биологии в микрометрах измеряют величину микроорганизмов и клеток, а в физике - длину инфракрасного электромагнитного излучения. Микроме́тр также называют микроном и иногда, особенно в англоязычной литературе, обозначают греческой буквой µ. Широко используются и другие производные метра: нанометры (1×10⁻⁹ метра), пикометры (1×10⁻¹² метра), фемтометры (1×10⁻¹⁵ метра и аттометры (1×10⁻¹⁸ метра).

Расстояние в навигации

В судоходстве используют морские мили. Одна морская миля равна 1852 метрам. Первоначально она измерялась как дуга в одну минуту по меридиану, то есть 1/(60×180) меридиана. Это облегчало вычисления широты, так как 60 морских миль равнялись одному градусу широты. Когда расстояние измеряется в морских милях, скорость часто измеряют в морских узлах. Один морской узел равен скорости движения в одну морскую милю в час.

Расстояние в астрономии

В астрономии измеряют большие расстояния, поэтому для облегчения вычислений приняты специальные величины.

Астрономическая единица (а. е., au) равна 149 597 870 700 метрам. Величина одной астрономической единицы - константа, то есть, постоянная величина. Принято считать, что Земля находится от Солнца на расстоянии одной астрономической единицы.

Световой год равен 10 000 000 000 000 или 10¹³ километрам. Это расстояние, которое проходит свет в вакууме за один Юлианский год. Эта величина используется в научно-популярной литературе чаще, чем в физике и астрономии.

Парсек приблизительно равен 30 856 775 814 671 900 метрам или примерно 3,09 × 10¹³ километрам. Один парсек - это расстояние от Солнца до другого астрономического объекта, например планеты, звезды, луны, или астероида, с углом в одну угловую секунду. Одна угловая секунда - 1/3600 градуса, или примерно 4,8481368 мкрад в радианах. Парсек можно вычислить используя параллакс - эффект видимого изменения положения тела, в зависимости от точки наблюдения. При измерениях прокладывают отрезок E1A2 (на иллюстрации) от Земли (точка E1) до звезды или другого астрономического объекта (точка A2). Шесть месяцев спустя, когда Солнце находится на другой стороне Земли, прокладывают новый отрезок E2A1 от нового положения Земли (точка E2) до нового положения в пространстве того же самого астрономического объекта (точка A1). При этом Солнце будет находиться на пересечении этих двух отрезков, в точке S. Длина каждого из отрезков E1S и E2S равна одной астрономической единице. Если отложить отрезок через точку S, перпендикулярный E1E2, он пройдет через точку пересечения отрезков E1A2 и E2A1, I. Расстояние от Солнца до точки I - отрезок SI, он равен одному парсеку, когда угол между отрезками A1I и A2I - две угловые секунды.

На рисунке:

• A1, A2: видимое положение звезды
• E1, E2: положение Земли
• S: положение Солнца
• I: точка пересечения
• IS = 1 парсек
• ∠P or ∠XIA2: угол параллакса
• ∠P = 1 угловая секунда

Другие единицы

Лига - устаревшая единица длины, использовавшаяся раньше во многих странах. В некоторых местах ее до сих пор применяют, например, на полуострове Юкатан и в сельских районах Мексики. Это расстояние, которое человек проходит за час. Морская лига - три морских мили, примерно 5,6 километра. Лье - единица примерно равная лиге. В английском языке и лье, и лиги называются одинаково, league. В литературе лье иногда встречается в названии книг, как например «20 000 лье под водой» - известный роман Жюля Верна.

Локоть - старинная величина, равная расстоянию от кончика среднего пальца до локтя. Эта величина была широко распространена в античном мире, в средневековье, и до нового времени.

Ярд используется в британской имперской системе мер и равен трем футам или 0,9144 метра. В некоторых странах, например в Канаде, где принята метрическая система, ярды используют для измерения ткани и длины бассейнов и спортивных полей и площадок, например, полей для гольфа и футбола.

Определение метра

Определение метра несколько раз менялось. Изначально метр определяли как 1/10 000 000 расстояния от Северного полюса до экватора. Позже метр равнялся длине платиноиридиевого эталона. Позднее метр приравнивали к длине волны оранжевой линии электромагнитного спектра атома криптона ⁸⁶Kr в вакууме, умноженной на 1 650 763,73. Сегодня метр определяют как расстояние, пройденное светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды.

Вычисления

В геометрии расстояние между двумя точками, А и В, с координатами A(x₁, y₁) и B(x₂, y₂) вычисляют по формуле:

Расчеты для перевода единиц в конвертере «Конвертер длины и расстояния » выполняются с помощью функций unitconversion.org .

В свое время закон Хаббла сделал переворот в профессиональной астрономии. В начале ХХ века американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша Вселенная не статична, как казалось ранее, а постоянно расширяется.

Постоянная Хаббла: данные с различных космических аппаратов

Закон Хаббла – физико-математическая формула, доказывающая, что наша Вселенная постоянно . Причем расширение космического пространства, в котором находится и наша галактика Млечный путь, характеризуется однородностью и изотропией. То есть, наша Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях. Формулировка закона Хаббла доказывает и описывает не только теорию расширение Вселенной, но и главную идею ее происхождения – теорию .

Наиболее часто в научной литературе закон Хаббла встречается под следующей формулировкой: v=H0*r. В этой формуле v означает скорость галактики, H0 – коэффициент пропорциональности, который связывает расстояние от Земли до космического объекта со скоростью его удаления (этот коэффициент еще называют «Постоянной Хаббла»), r – расстояние до галактики.

В некоторых источниках встречается другая формулировка закона Хаббла: cz=H0*r. Здесь c выступает, как скорость света, а z символизирует собой красное смещение – сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновую красную сторону спектра по мере их удаления. В физико-теоретической литературе можно обнаружить и другие формулировки данного закона. Однако от разности формулировок суть закона Хаббла не меняется, а его суть заключается в описании того факта, что наша непрерывно расширяется во всех направлениях.

Открытие закона

Возраст и будущее Вселенной может быть определено путем измерения постоянной Хаббла

Предпосылкой к открытию закона Хаббла был целый ряд астрономических наблюдений. Так, в 1913 году американский астрофизик Вейл Слайдер обнаружил, что и несколько других огромных космических объектов движутся с большой скоростью, относительно Солнечной системы. Это дало ученому основание предположить, что туманность – это не формирующиеся в нашей галактике планетарные системы, а зарождающиеся звезды, которые находятся за пределами нашей галактики. Дальнейшее наблюдение за туманностями показало, что они не только являются другими галактическими мирами, но и постоянно удаляются от нас. Этот факт дал возможность астрономическому сообществу предположить, что Вселенная постоянно расширяется.

В 1927 году бельгийский ученый-астроном Жорж Леметр экспериментально установил, что галактики во Вселенной удаляются друг от друга в космическом пространстве. В 1929 году американский ученый Эдвин Хаббл при помощи 254-сантиметрового телескопа установил, что Вселенная расширяется и галактики в космическом пространстве удаляются друг от друга. Используя свои наблюдения, Эдвин Хаббл сформулировал математическую формулу, которая по сегодняшний день точно описывает принцип расширения Вселенной, и имеет огромное значение, как для теоретической, так и практической астрономии.

Закон Хаббла: применение и значение для астрономии

Закона Хаббла имеет огромное значение для астрономии. Его широко применяют современные ученые в рамках создания различных научных теорий, а также при наблюдении космических объектов.

Главное значение закона Хаббла для астрономии заключается в том, что он подтверждает постулат: Вселенная постоянно расширяется. Вместе с этим закон Хаббла служит дополнительным подтверждением теории Большого взрыва, ведь, как считают современные ученые, именно Большой взрыв послужил толчком для расширения «материи» Вселенной.

Закон Хаббла позволил выяснить также, что Вселенная расширяется во всех направлениях одинаково. В какой точке космического пространства не оказался бы наблюдатель, если он посмотрит вокруг себя, он заметит, что все объекты вокруг него одинаково от него удаляются. Наиболее удачно этот факт можно выразить цитатой философа Николая Кузанского, который еще в XV веке сказал: «Любая точка есть центр Безграничной Вселенной».

При помощи закона Хаббла современные астрономы могут с высокой долей вероятности просчитывать положение галактик и скоплений галактик в будущем. Точно так же с его помощью можно вычислить предположительное месторасположение любого объекта в космическом пространстве, спустя определенное количество времени.

1. Величина, обратная постоянной Хаббла, равна примерно 13,78 миллиардам лет. Эта величина указывает на то, сколько времени прошло с момента начала расширения Вселенной, а значит, вполне вероятно указывает и на ее возраст.
2. Наиболее часто закон Хаббла используют для определения точных расстояний до объектов в космическом пространстве.

3. Закон Хаббла определяет удаление от нас далеких галактик. Что касается ближайших к нам галактик, то здесь его действие не так ярко выражено. Связано это с тем, что эти галактики помимо скорости, связанной с расширением Вселенной, обладают еще и своей собственной скоростью. В связи с этим они могут, как удаляться от нас, так и приближаться к нам. Но, в общем и целом закон Хаббла актуален для всех космических объектов во Вселенной.

, квазара) со скоростью его удаления. Обычно обозначается буквой H . Имеет размерность, обратную времени (H ≈ 2,2⋅10 −18 с −1), но выражается обычно в км/с на мегапарсек .

Значение

Наиболее надёжная оценка постоянной Хаббла на 2013 год составляет 67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк . В 2016 году эта оценка была уточнена до 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк . Таким образом, в современную эпоху две галактики, разделённые расстоянием в 1 Мпк , в среднем разлетаются со скоростью около 67 км/с . В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова.

Возраст Вселенной в рамках модели ΛCDM составляет около (4,354 ± 0,012)⋅10 17 с или (13,798 ± 0,037)⋅10 9 лет .

Следует отметить, что измерения разными методами дают несколько различающиеся значения постоянной Хаббла. Указанные выше значения получены с помощью измерения параметров реликтового излучения на космической обсерватории «Планк» . Опубликованные в 2016 году измерения «местного» (в пределах до < 0,15 ) значения постоянной Хаббла путём вычисления расстояний до галактик по светимости наблюдающихся в них цефеид на космическом телескопе Хаббла дают оценку в 73,24 ± 1,74 (км/с)/Мпк , что на 3,4 сигмы (на 7-8 %) больше, чем определено по параметрам реликтового излучения . Причины этого расхождения оценок пока неизвестны.

Производные постоянные

Величина, обратная постоянной Хаббла (ха́ббловское вре́мя t H = 1/H ), имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Для современного значения постоянной Хаббла, равного 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк (или (2,169 ± 0,020)⋅10 −18 c −1 ), хаббловское время равно (4,61 ± 0,05)⋅10 17 с (или (14,610 ± 0,016)⋅10 9 лет ). Часто используют также ещё одну производную константу, ха́ббловское расстоя́ние , равное произведению хаббловского времени на скорость света : D H = ct H = c /H . Для вышеуказанного значения постоянной Хаббла хаббловское расстояние равно (1,382 ± 0,015)⋅10 26 м или (14,610 ± 0,016)⋅10 9

Год 1929 ознаменовался замечательным событием. Человечество распрощалось со статической Вселенной, состоящей из застывших в пространстве галактик и "переселилось" в мир подвижный, расширяющийся. Произошло это благодаря открытию американского астронома Эдвина Хаббла. Зная, что галактики удаляются, он нашел интересную закономерность в их движении. Но, начнем по порядку.

Впервые лучевую скорость галактики измерил в 1912 году американский астроном Весто Слайфер. Он определил скорость одной из ближайших к нам звездных систем - Туманности Андромеды. К 1925 году Слайфер измерил лучевые скорости уже у 45 галактик. Большинство из них удалялось от нас, о чем свидетельствовало смещение линий в спектре в красную область (красное смещение). Для того же, чтобы узнать, существует ли какой-либо закон в "разбегании" галактик и какой он, необходимо было знать не только скорости удаления галактик, но также и расстояния до них. Правильно определить расстояние оказалось значительно сложнее.

В 20-е годы Эдвин Хаббл работал на крупнейшем телескопе того времени - 2.5-м рефлекторе обсерватории Маунт-Вилсон (США). С помощью такого инструмента уже можно наблюдать и изучать отдельные яркие звезды в соседних галактиках. Хабблу удалось обнаружить в нескольких ближайших галактиках переменные звезды особого типа - цефеиды. Эти звезды используются в астрономии в качестве "стандартных свечей": их светимость зависит от периода переменности блеска звезды. Сравнив светимость звезды с наблюдаемой звездной величиной, можно достаточно точно найти расстояние до цефеиды, а значит и до галактики, в которой она находится.

Определив с помощью цефеид расстояния до самых близких галактик, Хаббл сделал следующий шаг в строительстве "лестницы" внегалактических расстояний, установив светимость самых ярких звезд в галактиках. Ярчайшие звезды, в отличие от цефеид, можно разглядеть не только в самых близких звездных системах.

Построив таким образом "лестницу" расстояний, он нашел, что скорость "разбегания" галактик прямо пропорциональна расстоянию до них, то есть v=Hr . Коэффициент пропорциональности Н в этой формуле мы называем постоянной Хаббла. Закон расширения, задаваемый этой формулой, называют однородным расширением. Он справедлив не только для наблюдателей, находящихся на Земле. Переместившись в любую точку пространства, наблюдатель обнаружит тот же закон "разбегания" галактик. Теоретически однородное расширение Вселенной еще в 1924 году предсказал советский математик Александр Фридман, однако без наблюдательных данных его точка зрения некоторое время считалась ошибочной.

В более поздних работах Хаббл использовал уже не только отдельные объекты внутри галактик, но также и общую светимость звездных систем в целом. Это позволило использовать еще более далекие галактики и уточнить зависимость Расстояние - Скорость удаления. В ранних работах Хаббл получил Н=500 км/(с·Мпк). Позже было выявлено несколько ошибок при определении расстояний до ближайших галактик: использовались цефеиды разных классов, различающиеся по светимости, также некоторые ярчайшие звезды в удаленных галактиках оказались на самом деле звездными скоплениями. Все это привело к пересмотру шкалы расстояний и постоянной Хаббла. Ее современное значение, для которого принято обозначение Но, получено несколькими десятками независимых методов и лежит в интервале между 50 и 100 км/(с·Мпк).

Зная постоянную Хаббла, можно ответить на вопрос, сколько времени прошло от начала расширения Вселенной, то есть, иначе говоря, мы можем узнать возраст Вселенной. Этот возраст примерно равен 1/Н 0 , что составляет 10-20 миллиардов лет. Связь постоянной с возрастом нашего мира позволяет наложить ограничения на хаббловскую константу. Возраст Вселенной не может быть меньше возраста объектов, из которых она состоит. Самые старые шаровые скопления насчитывают 15-17 миллиардов лет. Анализ радиоактивных изотопов космического вещества показывает, что возраст нашего мира не менее 12-14 миллиардов лет. Это хорошо согласуется со значением Но=50-75 км/(с·Мпк). Хуже согласие с большой Н 0 - в районе 100 км/(с·Мпк), тем не менее, некоторыми методами получается высокое значение, порядка 100, константы Хаббла.

Отчего же наблюдается такой большой разброс в оценках одной из основных космологических констант? Внешне рассчитать значение Но просто. Необходимо лишь знать расстояние до галактик (или скоплений галактик) и по смещению спектральных линий определить их скорость удаления. Но проблемы возникают и с определением расстояний, и со скоростями галактик.

Наиболее надежно расстояние определяется до галактик, в которых найдены цефеиды типа RR Лиры, а также еще некоторые типы объектов, светимость которых достаточно хорошо известна по наблюдениям в нашей Галактике. Все они найдены лишь в близких звездных системах - в пределах 45 Мпк. Исключение составляют три галактики: M100 и NGC 4571 из скопления в Деве (15-20 Мпк) и М96 во Льве (12 Мпк), где недавно с помощью Космического телескопа им. Хаббла удалось разглядеть цефеиды.

Менее надежно удается определить расстояние, используя самые яркие галактические объекты, средняя светимость которых известив из наблюдений. К ним относятся самые яркие звезды, новые, сверхновые, шаровые скопления и некоторые другие объекты. Для тех галактик, в которых невозможно разглядеть отдельные объекты, индикатором расстояния могут стать характеристики самих галактик, например, можно использовать среднюю светимость галактик определенного морфологического типа. Широко используются методы определения расстояния, основанные на эмпирических соотношениях между различными наблюдательными параметрами.

Так, например, известно, что для спиральных галактик ширина спектральной линии нейтрального водорода пропорциональна их светимости. "Настроив" эту зависимость по ближайшим галактикам с хорошо известными расстояниями, можно определять расстояния до значительно удаленных галактик и скоплений галактик. Расстояния до самых близких галактик определяются с точностью 10%. С увеличением расстояния неопределенность растет. Таким образом, основываясь на более точных, но ограниченных методах, переходят к бот лее "дальнобойным".

Расстояния до самых дальних уголков Вселенной, откуда еще приходит свет, находят по красному смещению в спектре объектов через закон Хаббла. В этом случае расстояние зависит от значения Но, которое, в свою очередь, известно неточно.

Определить скорость удаления галактики значительно легче, но и здесь наблюдателей поджидают подводные камни. На фоне однородного расширения Вселенной, галактики и скопления взаимодействуют, притягиваются друг к другу. В результате появляются отклонения от однородного расширения, как говорят еще, от "хаббловского потока". Например, наша Галактика и ближайшая к нам "спираль" Туманность Андромеды не разлетаются друг от друга, а обращаются по эллиптическим орбитам. В свою очередь эти галактики "падают" со скоростью около 300 км/с на ближайшее к нам скопление галактик в созвездии Девы. Скорости такого порядка заметно изменяют картину однородного расширения и вносят большую ошибку в постоянную Хаббла при ее определении по близким галактикам (в пределах нескольких десятков Мпк). Чтобы избавиться от, как говорят астрономы, нехаббловской составляющей лучевой скорости, приходится моделировать распределение масс в масштабе ближайших скоплений галактик и рассчитывать движение объектов, вызванное их взаимным притяжением.

Для далеких объектов скорость удаления столь велика, что можно пренебречь отклонениями от хаббловского потока. Однако, как уже было сказано, расстояние в этом случае определяется менее уверенно.

Впервые определенное Хабблом значение Н 0 в 5-10 раз отличалось от современного. В более поздних работах оно было пересмотрено. Интересно проследить зависимость значения постоянной Хаббла от времени ее измерения по мере развития наших знаний о Вселенной. Постоянная Хаббла экспоненциально убывает на начальном этгрте, и начинает "колебаться", когда уже сформировалось более-менее общепринятое значение.

Если посмотреть работы по определению постоянной Хаббла за последние 10-15 лет, то можно убедиться, что значение Но примерно равномерно покрывает интервал от 50 до 100 км/(с·Мпк). Время от времени тому или иному значению отдается предпочтение (своеобразное проявление моды в науке), но не надолго. Нет согласия и среди "мэтров" внегалактической астрономии, посвятивших всю жизнь проблемам определения расстояний во Вселенной и постоянной Хаббла. Так, научная группа, возглавляемая Жераром де Вокулером (США), "исповедует" так называемую "короткую" шкалу внегалактических расстояний. В работах Вокулера и его сотрудников Но принимает значение 80-100 км/(с·Мпк). Чем большее значение принимает хаббловская константа, тем короче расстояния во Вселенной и меньше ее возраст. Швейцарский астроном Г. Тамманн и его группа, напротив, поддерживают "длинную" шкалу расстояний, получая значение H 0 =50-70 км/(с·Мпк), а в нескольких последних работах прошедшего года Но у них "упала" до 45 км/(с·Мпк). При этом обе группы делают разные начальные шаги по "лестнице" внегалактических расстояний, отдавая предпочтение разным индикаторам расстояний.

На данный момент нельзя сказать с уверенностью, чья научная группа более права. Множество новых методов, развитых в последнее время, например, с использованием свойств гравитационных линз, также приводят к противоречащим друг другу значениям Н 0 . С помощью Космического телескопа им. Хаббла удалось открыть несколько цефеид в далеких галактиках: М100 и NGC 4571 в Деве и М96 во Льве, и тем самым определить расстояние до них с хорошей точностью, однако значения локального поля скоростей, получаемые в разных работах, приводят к достаточно неопределенной оценке Н 0 =60-80 км/(с·Мпк). Имеются также основания считать, что Н 0 , найденная по близким галактикам, отличается от Н 0 для больших масштабов (либо из-за того же не-хаббловского поля скоростей, либо это фундаментальное свойство Вселенной). Скорее всего, окончательное, убедительное значение постоянной Хаббла можно будет получить лишь в будущем с помощью спутника, который простейшим методом триангуляции точно измерит расстояния до далеких внегалактических объектов.

Если подтвердится "длинная" шкала (Н=50-70 км/(с·Мпк)), то появится хорошее согласие между значением постоянной Хаббла и возрастом звезд и галактик. С другой стороны, если подтверждение получит "короткая" шкала (Н=80-100 км/(с·Мпк)), то это будет еще более интересное событие. Появится явное противоречие, так как возраст Вселенной в этом случае окажется меньше возраста объектов, ее составляющих. Это даст толчок потоку новых идей и открытий в области эволюции Вселенной.

В настоящее время вопрос не решен окончательно и приходится идти на компромисс. До окончательного выяснения дела многие ученые останавливаются на "золотой середине", полагая значение Н 0 =75 км/(с·Мпк).

Главная » Сленг » Красное смещение, возраст вселенной и постоянная хаббла. Сюрприз: постоянная Хаббла на самом деле непостоянна