Объясните почему современная модель расширяющейся вселенной названа моделью горячей вселенной кратко

Обновлено: 04.07.2024

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:

1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность);

2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины являются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.

Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы - состояния, в котором находятся элементарные частицы - нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0, 01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образовались все остальные химические элементы?

Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик А. Фридман. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и исходя из этого объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик. Он показал, что в зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.

При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них — вывод, который подтвердил Хаббл открытием красного смещения в спектрах галактик.

Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер его движения:

где G — гравитационная постоянная, а Н — постоянная Хаббла. Помня, что 1 пк = 3,08 • 1013 км и поэтому 1 Мпк = = 3,08 • 1019 км, найдем Н = 2,4 • 10-18 с-1. Тогда критическая плотность вещества:

Если средняя плотность Вселенной больше критической (ρ > ρкр)9 то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности, равной или меньшей критической (ρ ≤ ρкр), расширение не прекратится.

Средняя плотность вещества, сосредоточенная в виде звезд в галактиках, равна приблизительно 2 • 10-30 кг/см3, что почти в 5 раз меньше критической.

Радиус Вселенной легко оценить с помощью закона Хаббла. Так как максимальная скорость не может превышать скорости света, то максимальное расстояние R, до которого мы можем наблюдать небесные тела, соответствует скорости разбегания галактик ν = с = 3 • 105 км/с, откуда

или R = 1,24 • 1026 м.

Возраст Вселенной

Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлетом вещества во время взрыва, поэтому описанная теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва, а время (13 млрд лет), прошедшее с начала этого взрыва, называют возрастом Вселенной.

В 1968 г. было обнаружено излучение, которое не связано ни с одним известным источником радиоизлучения. Оно идет со всех сторон и похоже на излучение абсолютно черного тела. Это микроволновое излучение имеет максимум на длине волны λmax = 1 мм, что, согласно закону смещения Вина, соответствует температуре излучения 2,7 К. В прошлом, на ранних этапах эволюции Вселенной, плотность и температура этого излучения были существенно выше.

Таким образом, в прошлом не только плотность, но и температура вещества были очень высокими. Так, например, когда возраст Вселенной был всего несколько секунд, температура вещества и излучения была десятки и сотни миллионов кельвинов.

Расширяющаяся Вселенная

Возраст Вселенной

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Образовательная:

- обратить внимание на наличие большого количества гелия и его образование во Вселенной ( где, когда и как образовалось основное количество гелия во Вселенной);

- рассмотреть наблюдения, указывающие на высокие температуры вещества Вселенной в начале расширения;

Развивающая:

- развитие умений устанавливать причинно-следственные связи;

- развитие способности логически рассуждать, делать выводы ;

- развивать научность мышления, умение анализировать, выделять главное ;

Воспитательная:

- формирование информационной культуры и потребности приобретения знаний;

- развитие коммуникативной компетентности у учащихся;

- формирование добросовестного отношения к учебному труду учащихся и труду учёных;

- воспитывать интерес к предмету.

Межпредметные связи:

физика (плотность, температура, кинетическая и потенциальная энергии, плазма, скорость света, спектральный анализ, термоядерный синтез, элементарные частицы);

обществознание (материальность мира и его познаваемость, основные формы существования материи, движение материи, пространство и время);

математика (степени с положительным и отрицательным показателями, проценты, радиус, максимумы);

химия (химические элементы).

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

5. При каком значении плотности Вселенной она будет расширяться вечно:

а) ρ ≤ ρ кр в) ρ > ρ кр с) ρ >> ρ кр 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.

образовательная: формирование представлений об образовании гелия во Вселенной, объяснение причины возникновения реликтового излучения;

развивающая: развитие логического мышления путём систематизации фактов, развитие наблюдательности, формирование мировоззрения, развитие познавательной активности, умений делать выводы, применять полученные знания для объяснения явлений;

воспитательная: развитие коммуникационных компетенций, развитие умение говорить и слушать других, формирование мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира.

- объяснение образования гелия с использования модели горячей Вселенной;

- объяснение возникновения реликтового излучения, как доказательство теории Большого взрыва

- развитие умения решать учебные задачи;

- мотивация на продуктивную учебную деятельность.

Форма: изучение нового материала.

Используемые пособия: Чаругин Виктор Максимович Астрономия 10—11 классы. Учебное пособие для общеобразовательных организаций. Базовый уровень.

Используемое оборудование: тематические таблицы

Технологическая карта занятия:

Планируемый результат (задача)

Мотивация на изучение нового материала

Вступительное слово: общие представления о физических условиях на ранних стадиях расширения Вселенной можно получить из анализа химического состава вещества

Готовность к изучению нового материала

2.Освоение новых знаний

Формирование представлений о возникновении гелия и реликтового излучения во Вселенной

Лекция: Естественно предположить, что до образования звёзд вещество состояло из простейшего химического элемента — водорода. Поэтому первые звёзды, сформировавшиеся из этого вещества, были чисто водородными. При термоядерных реакциях в недрах звёзд образовывался гелий.

В термоядерных реакциях синтеза гелия в недрах Солнца каждую секунду выделяется 4 · 1026 Дж энергии. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия ΔЕ=4,8 · 10–12 Дж.

Поэтому каждую секунду в Солнце образуется 1038ядер атомов гелия, или 6,7 · 1011 кг гелия. Полагая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной: 1,3 ·1010 лет = 3,9 · 1017 с можно подсчитать массу гелия 2,6 · 1040 кг, что существенно меньше наблюдаемой массы гелия.

Исходя из этого астрофизик Г.А. Гамов пришёл к выводу, что основная масса гелия образовалась не в звёздах, а на ранних стадиях расширения Вселенной.

Итак, на ранних этапах рас- ширения вещество Вселенной имело огромную плотность и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. По мере расширения температура вещества уменьшалась и, следовательно, уменьшалась температура теплового излучения, которая к настоящему времени должна была сни- зиться до 3 К (–270 °С). Это предсказание современной космологии подтвер- дилось открытием в 1965 г. микроволнового излучения, максимум которого приходится на длину волны λmax = 1 мм, что согласно закону смещения Вина соответствует температуре излучения Т = 2,7 К.

Как показали наблюдения, это излучение не связано ни с одним из известных небесных тел или их систем. Оно равномерно заполняет видимую Вселенную, т. е. ха- рактеризует горячее и сверхплотное состояние вещества в начале расширения. Поэтому это излучение получило название реликтового излучения, т. е. оставшегося от ранних этапов эволюции Вселенной.

Представления о возникновении гелия и реликтового излучения во Вселенной

3. Выполнение практи-ческого задания

Развитие умения решения учебных задач

Организация практикума по решению задачи: полагая, что радиус Вселенной возрастает в зависимости от времени, оцените, когда во Вселенной стали образовываться галактики (время, когда галактики касались друг друга).

Перевод текста задач в краткую запись, выбор соответствующих формул, проведение математи-ческих действий, оценка результата решения задачи

Представление решения задачи

Социальные, аналитические, самосовер-шенствования

Анализ результатов учебной деятельности

Подведение итогов: Вселенная в прошлом была плотной и горячей на- столько, что в ней шли термоядерные реакции синтеза гелия из водорода, именно по этой причине сейчас основная масса вещества состоит из водорода и гелия. Реликтовое излучения является излучением, которое осталось от горячего состояния вещества в начале рас- ширения Вселенной. Домашнее задание: 1)Объясните, почему современная модель расширяющейся Вселенной названа моделью горячей Вселенной.

2)Объясните, что такое реликтовое излучение, в чём заключается причина его возникновения.

Участие в обсуждении учебной деятельности: что узнали нового, возникшие проблемы и т.п.

Читайте также: