Модель расширяющейся вселенной конспект

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительно сти. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимо действие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн допускал в своей космоло гической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна была обеспечить стационарность, неизмен ность Вселенной. Однако последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.

Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной пони мается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Все ленной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимает ся как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжи маться. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эф фект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удале ния галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расшире ния составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не един ственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появи лась концепция расширяющейся Вселенной.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели развития Вселенной.

В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, что бы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов пре кращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой мо дели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.

Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а про странство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.

В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бес конечное.

По какому из этих трех вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяго тения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной мо дели Вселенной называют открытой Вселенной.

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в ис ходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирую щей, или закрытой, Вселенной.

В граничном случае, когда силы гравитации точно равны энер гии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит со стояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Все ленная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным вре менем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.

Источник

Модель расширяющейся Вселенной. — Конспект лекций по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн допускал в своей космологической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна была обеспечить стационарность, неизменность Вселенной. Однако последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.

Пять лет спустя, в 1922г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается, как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели развития Вселенной.

В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и, в конце концов, прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.

Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а пространство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.

В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют открытой Вселенной.

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирующей, или закрытой. Вселенной.

В граничном случае, когда силы гравитации точно равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения. Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со всевозрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Вселенная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Источник

Урок по теме «Расширяющаяся Вселенная»

Разделы: Астрономия

Классы: 10 , 11

Цель: расширить знания о строении и эволюции уникального объекта Вселенной в целом.

Задачи:

изучить модель расширяющейся Вселенной;
выяснить с какой скоростью удаляются галактики
определить возраст Вселенной;
научить решать задачи с применением закона Хаббла

Оборудование к уроку: проектор, презентация, иллюстрации.

Структура урока:

1. Организационный момент

2. Актуализация знаний

3. Изучение нового материала

4. Закрепление нового материала

5. Подведение итогов урока

Ход урока

I. Организационный момент (приветствие, проверка отсутствующих)

II. Актуализация знаний

Что такое фотометрический парадокс?
Какое значение имеет общая теория относительности для астрономии?
В чем суть общей теории относительности?

II. Изучение нового материала

Существовавшие на каждом этапе развития человеческой цивилизации представления о строении мира можно считать космологическими теориями соответствующей эпохи. Геоцентрическая система Аристотеля-Птолемея стала первой научно обоснованной космологической моделью Вселенной. Спустя 1500 лет ее сменила новая космологическая модель – гелиоцентрическая система, предложенная Коперником.

Космология – раздел астрономии, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом, используя при этом методы и достижения физики, математики и философии.

Только в XX веке было выработано понимание Вселенной как единого целого. Впервые космологическую модель Вселенной рассмотрел советский математик А.А.Фридман, основываясь на общей теории относительности А.Эйнштейна, и показал, что геометрические свойства Вселенной должны изменяться, т.е. расстояния между галактиками не могут оставаться постоянными. Фридман пришел к выводу, что материя в масштабах однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое – Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться.

Важное подтверждение теоретические выводы А.Фридмана получили благодаря наблюдениям Э.Хаббла. Измеряя лучевые скорости галактик, он обнаружил, что в их спектрах линии смещены к красному его концу, что, согласно эффекту Доплера, означало их удаление. В дальнейшем, сравнивая величину «красного смещения» в спектрах различных галактик, Э.Хаббл установил закон, который впоследствии был назван его именем.

Согласно закону Э. Хаббла, скорость удаления любой галактики от нас пропорциональна расстоянию до нее:

(где v – скорость удаления, H = 75 км/c * Мпк – постоянная Хаббла, R – расстояние до галактики)

Если скорость окажется меньше второй космической скорости, то наблюдаемое удаление галактики сменится приближением, т.е. расширение Вселенной сменится сжатием.

Если скорость будет больше или равна второй космической скорости, то галактика будет неограниченно удаляться, т.е. расширение носит неограниченный характер.

Пример 1. На каком расстоянии от нас находится галактика, имеющая скорость удаления 1,5 * 10 4 км/с?

Работы Э.Хаббла и А.Фридмана явились лишь началом изучения Вселенной, можно сказать, ее механики. Но именно они открыли дорогу последующим исследованиям физики тех процессов, которые происходили во Вселенной на различных этапах ее эволюции.

Развернувшиеся на протяжении XX века исследования затронули целый ряд фундаментальных проблем физики и позволили достичь во многих из них очень существенных и важных для современной науки результатов.

Взаимное удаление галактик означает, что в прошлом они были гораздо ближе расположены друг к другу, чем в современную эпоху. Закон Э.Хаббла дает возможность оценить время, которое прошло с момента начала их разбегания – начала расширения Вселенной.

Сейчас это время оценивается в 13 млрд лет. Таким образом, в столь отдаленную эпоху плотность во Вселенной была настолько велика, что ни галактики, ни звезды и никакие другие наблюдаемые в настоящее время объекты просто не могли существовать.

Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлетом вещества во время взрыва, поэтому теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва.

III. Закрепление нового материала

Задача №1. Небольшая спиральная галактика с перемычкой NGC 1559 удаляется со скоростью около 1300 км/c. Определите расстояние до этого объекта.

Задача №2. Определите радиус наблюдаемой Вселенной с помощью закона Хаббла, учитывая, что максимальная скорость удаления галактики не может быть больше скорости света.

Ответ: 13 млрд. св.лет

Учащимся предлагается ответить на вопросы:

Сформулируйте Закон Хаббла.
Чему равна постоянная Хаббла?
В каких единицах измеряются расстояния до далеких объектов Вселенной?
Как можно оценить возраст Вселенной?

IV. Подведение итогов урока

Домашнее задание.

§ 35, вопросы после параграфа устно.
Задача №3. Свет от галактики идет к нам 473 млн лет. С какой скоростью галактика удаляется от нас?
Письменно ответить на вопрос (ответ обосновать): Куда и во что расширяется Вселенная?

Источник