§ 73. Рождение вселенной
Никто еще не проник в тайну великого начала.
Омар Хайям
Стационарна ли Вселенная? С чего все началось? Что первично: элементарная частица или атом? Какими свойствами обладает физический вакуум? Какие наблюдения подтверждают гипотезу Большого взрыва?
Урок-лекция
Изучив процессы самоорганизации на примере некоторых свойств биологических систем, обращаемся к рассмотрению систем мегамира. Развитие Вселенной как целого изучает космология — наука, которая сейчас активно развивается.
ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА И КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл, изучая спектры галактик, установил, что линии поглощения в этих спектрах существенно смещены по длине волны в красную сторону (в направлении более длинных волн по сравнению со стандартными лабораторными спектрами). Этот эффект, названный красным смещением в спектрах далеких галактик, объясняется на основании эффекта Доплера как следствие удаления галактик друг от друга.
Эффект Доплера состоит в том, что если источник излучения движется относительно приемника излучения со скоростью о, то вместо излучения на длине волны λ0 приемник регистрирует излучение с длиной волны λ, так, что выполняется соотношение
где v — скорость источника относительно приемника, с — скорость света. Длина волны увеличивается, если источник удаляется от приемника, и соответственно уменьшается при их сближении.
Хаббл установил, что скорости удаления далеких галактик к пропорциональны расстояниям до них — r. Коэффициент пропорциональности был назван впоследствии постоянной Хаббла — Н. Эта закономерность получила название закона Хаббла:
Обычно космические расстояния измеряют в парсеках (1пк = 3,26 св. г.), мегапарсеках (Мпк), скорость удаления галактики — в км/с, тогда Н составляет примерно 75 (км/с)/Мпк.
Сальвадор Дали. Отче наш
Разбегание галактик может быть объяснено расширением всей Вселенной. Таким образом, наблюдения Хаббла впервые установили ее нестационарность.
Незадолго до открытия Хаббла, в 1922 г., российский ученый Александр Фридман, работавший в то время в Ленинграде, теоретически показал невозможность существования стационарной Вселенной и рассчитал возможные варианты ее эволюции, которые сейчас называют моделями Фридмана. Согласно этим моделям, если средняя плотность Вселенной превосходит некоторое критическое значение 10 -29 г/см 3 , то через некоторое время под действием гравитации начнется процесс сближения галактик и схлопывания Вселенной. Если средняя плотность Вселенной меньше критической, то ее ожидает бесконечное расширение. И только в случае равенства средней плотности вещества Вселенной и критической плотности расширение Вселенной через какое-то время замедлится и остановится.
Появились модели Вселенной, объясняющие ее расширение действием так называемого физического вакуума, важнейшим свойством которого является антигравитация.
ГИПОТЕЗА БОЛЬШОГО ВЗРЫВА. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ. Наблюдаемое расширение Вселенной можно трактовать как следствие первоначального Большого взрыва, произошедшего в начале существования нашей Вселенной. Согласно современным данным произошло это примерно 14 млрд лет тому назад. В первые мгновения Вселенная была очень горячей и плотной (Т > 10 30 К, р > 10 93 г/см 3 и выше), наполненной излучением и рождающимися и аннигилирующими элементарными частицами и их античастицами. Далее, в расширяющейся и остывающей Вселенной остались электроны, ядра атомов водорода, гелия, а также дейтерия и лития в незначительных количествах. При остывании Вселенной электроны и ядра стали объединяться в атомы (эпоха рекомбинации и отделения излучения от вещества при Т≈4000 К) (рис. 94). Через миллионы лет в уже холодной, разряженной Вселенной началось формирование галактик из-за гравитационной неустойчивости облаков газа. В галактиках родились звезды первого поколения, в состав которых входили в основном водород и гелий.
Рис. 94. Сценарий Большого взрыва и эволюции вселенной
В 1965 г. американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили радиоизлучение Вселенной, достаточно равномерно идущее по всем направлениям, не имеющее источника, с температурой около 2,7 К. Это излучение, названное реликтовым, интерпретируют как остаточное излучение ранней горячей Вселенной. Это открытие явилось экспериментальным подтверждением модели эволюции ранней Вселенной.
Формирование более тяжелых, чем водород и гелий, химических элементов (вплоть до железа) происходит лишь в недрах звезд. Элементы тяжелее железа синтезируются по современным представлениям только при вспышках сверхновых звезд, которые происходят в результате эволюции сверхмассивных звезд. Звезды второго поколения наряду с водородом и гелием содержат более тяжелые элементы (азот, кислород, неон и др.). Планетные системы, по-видимому, рождаются вместе с одиночными звездами второго поколения. Возраст нашего Солнца и тел Солнечной системы оценивают в 4,5—5 млрд лет. Солнце — звезда второго поколения.
Вселенная согласно современным представлениям не стационарна, она эволюционирует. Наблюдается ускоренное расширение Вселенной. Химические элементы синтезировались в ходе эволюции Вселенной и космических обьектов. прежде всего звезд.
- Почему наблюдаемый в спектрах далеких галактик сдвиг спектральных линий называют красным смещением?
- Какие процессы проходили в ранней Вселенной согласно сценарию Большого взрыва?
- Каким фридмановским сценариям противоречит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной?
Источник
Естествознание. 10 класс
Вселенная
Рождение Вселенной
Необходимо запомнить
Вселенная как система представляет собой единство многообразия иерархически расположенных объектов. Основные структурные элементы Вселенной – галактики, в состав которых входят звездные системы, газовые и пылевые туманности, планетные системы.
Вселенная согласно современным представлениям не стационарна, она эволюционирует. Наблюдается ускоренное расширение Вселенной. Химические элементы синтезировались в ходе эволюции Вселенной и космических объектов, прежде всего звезд.
Гипотезы возникновения Вселенной
Масштабы Вселенной
Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца, используемое как основная единица расстояния, особенно для измерения в пределах Солнечной системы. 1 а.е. = 149 598 000 км.
Световой год (ly) — единица межзвездных расстояний; путь, который свет проходит за один год, т.е. км.
Парсек (pc) (сокращенное от параллакс и секунда) – единица длины, применяемая в астрономии. Равна расстоянию, на котором параллакс (в данном случае угол, под которым виден отрезок длиной в 1 астрономическую единицу) составляет 1″.
1 пк=206265 а.е.= 3,263 ly. Применяются и более крупные единицы, например килопарсек 1 кпк = 1000 пк; мегапарсек 1 мпк = 1 000 000 пк
Некоторые факты о масштабах Вселенной:
От луны свет идет к нам 1,5 секунды, от Солнца – 8 минут 19 секунд, от ближайшей звезды – 4 года и 4 месяца, от Туманности Андромеды больше 2,5 св. лет. Когда мы смотрим на самую дальнюю из видимых звезд, мы смотрим примерно на 4 миллиарда лет в прошлое. Свет от нее, путешествующий со скоростью почти 300 000 км/с достигает нас только через много лет. Это означает, что мы видим объект таким, каким он был это число лет назад.
В нашей галактике «Млечный путь» от 200 до 400 миллиардов звезд, а во Вселенной существует миллиарды таких галактик;
В нашей галактике каждый год появляется около 40 новых звезд;
Самая большая из обнаруженных учеными на сегодняшний день звезда в 100 раз превышает массу солнца. Астрономы считают, что предельная масса для звезды – 120 солнечных масс, крупнее во вселенной быть не может.
Нейтронные звезды являются самыми сильными магнитами во Вселенной. Магнитное поле нейтронной звезды в триллион раз больше, чем магнитное поле Земли.
Расстояние до ближайшей звезды (Проксима Кентавра) приблизительно равно 4,3 световых года;
Наиболее удаленные звезды Галактики находятся на расстоянии около 100 световых лет;
Диаметр Солнечной системы составляет 180 а.е.
На сегодняшний день при помощи телескопа Хаббл мы видим на небосводе, 125 миллиардов 600 миллионов галактик.
Источник
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 49. Рождение Вселенной
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
— С чего все началось?
— Стационарна ли Вселенная?
— Какие наблюдения подтверждают теорию большого взрыва?
Глоссарий по теме:
Космология – наука, изучающая происхождение и эволюцию Вселенной как единого целого.
Красное смещение – сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону.
Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — космологический закон, описывающий расширение Вселенной и связывающий скорость взаимного удаления галактик с расстоянием между ними.
Большой взрыв — общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной.
Реликтовое излучение (лат. relictum — остаток) — тепловое излучение, равномерно заполняющее Вселенную.
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
- Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. : с 222 – 224.
- Капица П. Л. Эксперимент, Теория, Практика. – М.: 1991. — с.50-65.
- Хокинг Краткая история времени. От Большого взрыва до чёрных дыр. –М.: АСТ, 2017: с.49 – 68, 139 – 170.
Открытые электронные ресурсы по теме урока:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Как Вы уже знаете, в структуру Вселенной входят туманности, галактики, звезды, планеты и их спутники. В нашей галактике «Млечный путь» от 200 до 400 миллиардов звезд, а во Вселенной существует миллиарды таких галактик. Когда мы смотрим на самую дальнюю из видимых звезд, мы смотрим примерно на 4 миллиарда лет в прошлое.
В 1929 году, исследуя взаимозависимость между разделяющими галактиками расстояниями и их относительными скоростями, американский астроном Эдвин Хаббл на уровне статистической закономерности смог установить численное соотношение, связывающее скорость взаимного удаления галактик с расстоянием между ними. Эта закономерность получила название закон Хаббла: скорость относительного удаления галактик (v) пропорциональна расстоянию между ними (r), т.е. v = Hr, где Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла. По уточненным на 2010 г. данным Н ≈ 70, 4 (км/с) / Мпк, т.е. две галактики, разделённые расстоянием в 1 Мпк ≈ 3∙10 19 км, в среднем удаляются примерно со скоростью 70,4 км/с.
Основой для понимания закона Хаббла является эффект Доплера, описывающий изменение длины волны света движущегося объекта (в данном случае звезды и галактики) по отношения к наблюдателю. Суть этого эффекта состоит в следующем: когда происходит сближение источника света и наблюдателя, изменение частоты и соответственно длины волны света движущегося объекта в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда источник света и наблюдатель отдаляются друг от друга — спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение). Изучая спектры галактик, Хаббл обнаружил, что линии поглощения в этих спектрах существенно смещены по длине волны в красную сторону. Это позволило ученому сделать вывод о том, что почти все галактики удаляются от нас, а разбегание галактик может быть объяснено расширением всей Вселенной. Таким образом, в 1929 году Хаббл впервые установил нестационарность Вселенной.
Концепцию нестационарности Вселенной предложил советский физик Александр Фридман еще в 1922 году. Он теоретически разработал и математически обосновал возможные варианты ее эволюции, которые сейчас называют моделями Фридмана. Согласно этой теории существует некоторое критическое значение средней плотности Вселенной — 10 29 г/см 3 . Если средняя плотность Вселенной меньше критической, то ее ожидает бесконечное расширение, если больше критической, то под действием гравитации через какое-то время начнется процесс сближения галактик и «схлопывания» Вселенной, если же средняя плотность Вселенной и критическая совпадают, то расширение Вселенной постепенно прекращается. В течение многих лет эту концепцию не принимали всерьёз. Эйнштейн считал, что Вселенная статична. Она всегда была и будет неизменной. Но обнаруженные Эдвином Хабблом закономерности изменили представления о рождении Вселенной.
Наблюдаемое расширение Вселенной можно трактовать как следствие первоначального Большого взрыва, произошедшего в начале существования нашей Вселенной. Теория большого взрыва строится на том, что материя и энергия, из которых состоит все сущее во Вселенной, ранее находилось в состоянии, характеризующемся крайне высокой температурой (Т > 10 30 К), плотностью (ρ > 10 93 г/см 3 ) и давлением. Все из чего на данный момент состоит Вселенная, заключалось в микроскопически малой частице, которая в какой-то момент пришла в нестабильное состояние. В результате этого примерно 13,7 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, после которого началось быстрое расширение Вселенной. Это привело к ее охлаждению до такой температуры, что энергия начала превращение в первые субатомные частицы, которые только через несколько тысяч лет объединились в первые атомы. Примерно после первого миллиона лет атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звезды первого поколения, состоящих в основном из водорода и гелия. Формирование более тяжелых химических элементов происходило в недрах звезд. Звезды эволюционировали, образовывались сверхновые, в результате этого появлялись более тяжелые элементы. Они формировали звезды второго поколения, содержащие азот, кислород, неон и др. Параллельно образуются планетарные системы. Примером звезды второго поколения может служить Солнце, ее примерный возраст 7–10 млрд лет. А возраст Солнечной системы оценивается примерно в 5,5 млрд. лет.
Подтверждением модели Большого взрыва в 1965 г. послужило исследование американских радиоастрономов А. Пензиас и Р. Вильсон. Они обнаружили радиоизлучения Вселенной, идущие равномерно по всем направления с температурой около 2,7 К и не имеющие источника. Это излучение, названное реликтовым, интерпретируют как остаточное излучение ранней горячей Вселенной. Реликтовое излучение – это самое древнее излучение, которое наблюдается во Вселенной и оно может рассказать о сценарии Большого взрыва.
Для воссоздания первых секунд существования Вселенной в Швейцарии построен ускоритель элементарных частиц – Большой адронный коллайдер. Таких ускорителей в истории физики ещё не бывало. CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire) — это самый большой в мире экспериментальный комплекс, длиной в 27 км. В его проектах принимает участие несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран мира. Именно он позволил открыть знаменитый бозон Хиггса – квант поля, придающего элементарным частицам массу; установить рекордную температуру, когда-либо созданную человеком (примерно 5,5 триллионов градусов Цельсия) и еще много открытий из области физики высоких энергий.
Совместные международные проекты и программы осуществляются и при исследовании и использовании космического пространства. Они охватывают самые разные сферы космической деятельности: создание образцов космической техники, совместные пилотируемые полеты, проведение научных исследований, использование результатов космической деятельности и других глобальных космических проектов, обеспечивающих устойчивое развитие человечества.
Выводы: Вселенная как система представляет собой единство многообразия иерархически расположенных объектов. Основные структурные элементы Вселенной – галактики, в состав которых входят звездные системы, газовые и пылевые туманности, планетные системы.
Вселенная согласно современным представлениям не стационарна, она эволюционирует. Наблюдается ускоренное расширение Вселенной. Химические элементы синтезировались в ходе эволюции Вселенной и космических объектов, прежде всего звезд.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Задание 1: Установите соответствие между названием и его описанием
- зависимость частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга
Б. Реликтовое излучение
- космологический закон, описывающий расширение Вселенной и связывающий скорость взаимного удаления галактик с расстоянием между ними
В. Эффект Доплера
- тепловое излучение, равномерно заполняющее Вселенную.