Какие наблюдения указывают на высокие температуры вещества вселенной в начале расширения кратко
Обновлено: 05.07.2024
В соответствии с решениями Фридмана уравнений Эйнштейна 13–15 миллиардов лет назад, в начальный момент времени, радиус Вселенной был равен нулю. В нулевом объеме была сосредоточена вся энергия Вселенной, вся ее масса. Плотность энергии бесконечна, бесконечна и плотность вещества. Подобное состояние называется сингулярным .
Вселенная расширяется из состояния с бесконечной плотностью. В сингулярном состоянии обычные законы физики неприменимы: теория, объединяющая теорию относительности и квантовую физику, до сих пор не построена. По-видимому, все фундаментальные взаимодействия при столь высоких энергиях неотличимы друг от друга. А с какого радиуса Вселенной имеет смысл говорить о применимости законов физики? Ответ – с планковской длины :
начиная с момента времени P = P/ = 5∙10 –44 c, где – гравитационная постоянная, – постоянная Планка, – скорость света. Скорее всего, именно через P гравитационное взаимодействие отделилось от остальных.
По теоретическим расчетам, в течение первых 10 –36 с, когда температура Вселенной была больше 10 28 К, энергия в единице объема оставалась постоянной, а Вселенная расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света. Этот факт не противоречит теории относительности, так как с такой скоростью расширялось не вещество, но само пространство. Эта стадия эволюции называется инфляционной . Из современных теорий квантовой физики следует, что в это время сильное ядерное взаимодействие отделилось от электромагнитного и слабого. Выделившаяся в результате подобного нарушения симметрии энергия и явилась причиной катастрофического расширения Вселенной, которая за крошечный промежуток времени в 10 –33 с увеличилась от размеров атома до размеров Солнечной системы. В это же время появились привычные нам элементарные частицы и чуть меньшее из-за спонтанного нарушения симметрии количество античастиц.
Спустя несколько секунд после Большого Взрыва в горячей и плотной Вселенной началась стадия первичного нуклеосинтеза , продолжавшаяся около трех минут. В результате термоядерных реакций образовывались ядра тяжелого водорода и гелия. Затем началось спокойное расширение и остывание Вселенной. Предсказанные количества водорода (75 %) и гелия (25 %) по теории первичного нуклеосинтеза подтверждаются распространенностью легких элементов в космосе в настоящее время.
Примерно через миллион лет после взрыва равновесие между веществом и излучением нарушилось, из свободных протонов и электронов начали образовываться атомы, а излучение стало проходить через вещество, как через прозрачную среду. Именно это излучение назвали реликтовым , его температура была около 3000 К. Гипотезу о существовании такого излучения высказал Георгий Гамов. При расширении Вселенная остывает, поэтому длина волны реликтовых фотонов должна возрастать: в настоящее время регистрируется фон с температурой 2,725 К, что соответствует миллиметровому диапазону. Реликтовое фоновое излучение открыли в 1964 году американские ученые Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Оно оказалось в высокой степени изотропным, одинаковым по всем направлениям и своим существованием подтверждает модель горячей расширяющейся Вселенной.
После рекомбинации вещество начало эволюционировать самостоятельно, из-за вариаций плотности вещества, образовавшихся в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга во время инфляционной стадии, появились протогалактики. Там, где плотность была чуть больше средней, образовались очаги притяжения, области с пониженной плотностью делались все разреженнее, так как вещество уходило из них в более плотные области. Именно так практически однородная среда разделилась на отдельные галактики и их скопления, а спустя сотни миллионов лет появились первые звезды.
Другой причиной образования галактик могли быть гипотетические космические струны – сверхтонкие (толщиной 10–30 см) и сверхтяжелые (10 22 г/см) объекты, протягивающиеся через всю Вселенную и сохранившиеся со времен Большого Взрыва. Гравитационное взаимодействие космических струн могло способствовать формированию звездных систем.
В 1992 году была открыта анизотропия реликтового излучения – незначительное отклонение температуры (на 30 мкК) от среднего значения 2,725 К в различных направлениях на небе. Открытие анизотропии реликтового излучения также подтверждает теорию Горячей Вселенной и Большого Взрыва.
Распределение температуры реликтового излучения. Хорошо заметен дипольная составляющая, вызванная эффектом Доплера. Светлые области отличаются от темных всего на 0,001 К
До сих пор остается открытым вопрос: что существовало до начала расширения Вселенной? Такая же Вселенная, как и наша? Или совершенно другой мир с иными законами природы? Решать эти проблемы нам предстоит в XXI веке.
В плазме излучение находится в равновесии с веществом: фотоны сталкиваются с частицами плазмы, обмениваются энергией, поглощаются и излучаются. По мере остывания, с T=3000 K и ниже, в плазме начинают образовываться электрически нейтральные атомы. Фотоны теперь меньше взаимодействуют с веществом, перестают рассеиваться и начинают свободно перемещаться в пространстве.
Такие фотоны, которые были излучены остывшей плазмой 400 000 лет после Большого Взрыва в сторону будущего расположения Земли, достигли нас сегодня. Это излучение названо реликтовым. Оно свидетельствует о переходе от плазмы с T>3000 K к более низким температурам.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Задачи урока :
Образовательная:
Познакомить с образованием химических элементов во Вселенной;
Объяснить большое наличие гелия во Вселенной и его образование на ранних этапах эволюции Вселенной;
Познакомиться с наблюдаемыми свойствами реликтового излучения.
Развивающая: Развитие логического мышления, познавательной деятельности, умения объяснять явления и делать выводы.
Воспитательная:
научить уважать достижения науки;
привлечь внимания обучающихся к тому, что в мире существует замкнутый цикл материального мира;
формирование коммуникационные компетенции, умение говорить и слушать других.
Изучение нового материала.
Закрепление изученного материала.
Организационный момент.
Проверка готовности учащихся.
Антуан Сент – Экзюпери.
Актуализация знаний учащихся.
Верите ли вы, что раздел астрономии, занимающийся изучением строения Вселенной и процессов, происходящих в ней, называется космологией? (да)
Верите ли вы, что Метагалактика – это самая большая наблюдаемая, нестационарная, постоянно эволюционирующая, расширяющаяся система, не имеющая центра расширения? (да)
Верите ли вы, что радиус Метагалактики легко оценить с помощью закона Гука? (нет)
Верите ли вы, что Вселенная конечна? (нет)
Верите ли вы, что для построения модели Вселенной используется общая теория относительности? (да)
Изучение нового материала.
1. Мотивационно-ориентировочная деятельность учащихся.
Сформулируйте тему нашего урока.
Сегодня вам предстоит узнать:
Где, когда и как образовалось основное количество гелия во Вселенной.
Какие наблюдения указывают на высокие температуры вещества Вселенной в начале расширения.
Вспомним, что по современным представлениям, на ранней стадии развития звезда в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния ядер водорода с образованием гелия – термоядерные реакции.
Существует гипотеза, что около 30% по массе наблюдаемого во Вселенной гелия образовалось в недрах звёзд.
Проверьте это предположение, прочитав п. 36 стр.132.
Вывод: Это составляет 13% от всей массы Галактики (масс всех звёзд Галактики 2 • 10 41 кг), что существенно меньше наблюдаемой массы гелия.
Вселенная тоже была молодою,
И бился в груди ее пламень творения!
Как женщина, власть, потеряв над собою,
Она отдавалась на волю мгновения.
И в огненной пляске Пространства и Времени,
Доверившись слепо неведомым силам,
Она разрешила от тяжкого бремени,
Даруя начало мирам и светилам…
Дыхание горячее Тайны Великой
Потоками квантов к тебе прикоснется,
И космос огромный чужой многоликий,
Сквозь мрак мироздания тебе улыбнется.
И тот, кто увидел улыбки той отблеск,
Кто вздрогнул на миг и застыл ослепленный,
Так будет всю жизнь, позабыв сон и отдых,
Искать ее снова в просторах Вселенной.
Вывод (записать в тетр.)
Вывод: на ранних этапах расширения вещество Вселенной имело огромную плотность и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. Именно это излучение назвали реликтовым - космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует -270° С). Как показали наблюдения, это излучение не связано ни с одним из известных небесных тел или их систем.
Закрепление изученного материала.
Давайте попытаемся ответить на вопросы
Где, когда и как образовалось основное количество гелия во Вселенной?
Какие наблюдения указывают на высокие температуры вещества Вселенной в начале расширения?
Что такое реликтовое излучение?
Подведение итогов: оценка деятельности учащихся.
Домашнее задание: 1) п. 36 стр. 132;
Список литературы
Астрономия. 10–11 классы: учеб. для общеобразоват. организаций : базовый уровень / В.М. Чаругин. – 2-е изд., испр. - М. Просвещение, 2018. – 144 с.: ил. – (Сферы 1 – 11)
К тому, что вам уже перечислили, следует добавить реликтовое радиоизлучение - фоновое излучение, свидетельствующее о том, что когда-то Вселенная была заполнена горячей однородной плазмой. Сейчас есть уже наблюдения, указывающие на то, что в более ранние эпохи Вселенная это излучение было более теплым, т.е. можно проследить, что со временем Вселенная расширяется и остывает.
Еще важно то, что теория расширяющейся Вселенной хорошо объясняет наблюдаемое относительное количество химических элементов. Больше всеого - водорода, четвертинка - гелия, что свидетельствует о шедших на раннем этапе термоядерных реакциях в горячей плазвме. От них же осталось неменого реликтового гелия. - Все остальное - уже результат "работы" теромоядерных рекаций в звездах
Оборудование: ПК, интерактивная доска, система контроля качества знаний PROClass, презентация, фрагменты видеофильмов.
Тип урока: изучение нового материала.
Вид урока: комбинированный.
Этапы урока.
Актуализация знаний учащихся.
Изучение нового материала.
Закрепление изученного материала.
1 этап – Организационный:
Приветствие. Знакомство с темой и целями урока; система оценки результатов.
2 этап - Актуализация знаний учащихся
Проверка домашнего задания в форме тестирования по §§ 34-35 учебника Астрономия 10-11, автор Чаругин В.М.
Тестирование проводится с помощью системы PROClass . (Ученикам выдаются беспроводные пульты. На интерактивной доске выводятся вопросы с вариантами ответом. После ответа всеми учениками на вопрос или окончания отведённого времени, происходит переход к следующему вопросу. После каждого ответа можно выводить результат на экран для того, чтобы оценить, как класс ответил на вопрос и если нужно, то обсудить задание.)
1. Раздел астрономии, изучающий строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целом, называется:
а) космогонией в) космонавтикой с) космологией d) астрофизикой е) астрологией
2. Во времена Античности и в Средние века многие учёные, в том числе Н. Коперник и Т. Браге полагали, что Вселенная….
а) бесконечна в) конечна с) сжимается d) расширяется
3. Ученый, подтвердивший вывод о том, что при расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них
а) И. Ньютон в) А. Эйнштейн с) А. Фридман d) Э. Хаббл е) Н. Коперник
4. Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер движения и геометрия Вселенной равно
а) в) с)
5. При каком значении плотности Вселенной она будет расширяться вечно:
а) ρ≤ρкр в) ρρкр с) ρρкр d) нет верного ответа
Ответы к тесту: 1-с, 2-в, 3- d, 4-с, 5-а.
3 этап - Изучение нового материала.
До образования звёзд вещество состояло из простейшего химического элемента – водорода, соответственно первые звёзды были водородные. В недрах звёзд протекали термоядерные реакции с образованием гелия. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизиться на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10 -15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.
В дальнейшем часть вещества возвращалась в межзвёздную среду. Следовательно, можно предположить, что около 30% по массе наблюдаемого во Вселенной гелия образовалось в недрах звёзд.
Работа с учебником (стр.132) для оценки массы гелия, содержащегося в звёздах Галактики.
В термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода в недрах Солнца каждую секунду выделяется 4 · 10 26 Дж энергии. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия ΔЕ = 4,8 · 10 –12 Дж. Поэтому каждую секунду в Солнце образуется 10 38 ядер атомов гелия, или 6,7 · 10 11 кг гелия. Полагая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной: 1,3 · 10 10 лет = 3,9 · 10 17 с, легко подсчитать массу гелия, которая могла бы образоваться во всех звёздах (10 11 звёзд) за этот промежуток времени: 6,7 · 10 11 кг/с · 10 11 · 3,9 · 10 17 с = 2,6 · 10 40 кг.
Это составляет 13% от всей массы Галактики (масс всех звёзд Галактики 2 · 10 41 кг), что существенно меньше наблюдаемой массы гелия.
Вывод: итак, на ранних этапах расширения вещество Вселенной имело огромную плотность и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. Именно это излучение назвали реликтовым - космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует -270° С). Как показали наблюдения, это излучение не связано ни с одним из известных небесных тел или их систем.
4. Закрепление изученного материала.
2. Что такое реликтовое излучение?
Оценка деятельности
Домашнее задание.
Ответить на вопросы и задания § 36 (стр.133-134) .
Список литературы
1. Астрономия. 10–11 классы: учеб. для общеобразоват. организаций : базовый уровень / В.М. Чаругин. – М. Просвещение, 2018. – 144 с. :ил.
Читайте также: