Гипермаркет знаний>>Физика и астрономия>>Физика 11 класс>> Строение и эволюция Вселенной

                                                    §126     СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной, называется космологией (от греческих слов космос — мир. Вселенная и логос -- учение).

Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном (1879— 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы вещества и скорости его движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света. Согласно общей теории относительности, гравитационное взаимодействие передается с конечной скоростью, равной скорости света. (В теории Ньютона считается, что гравитационное взаимодействие передается мгновенно.)

Общая теория относительности накладывает определенные ограничения на геометрические свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. Согласно этой теории, движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств пространства и времени.

Расширяющаяся Вселенная. 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 H = 2,4 • 10^-18 с^-1. Тогда согласно формуле (17.3) критическая плотность вещества:


 
Если средняя плотность Вселенной больше критической (Р > Р_кр), то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности, равной или меньшей критической (р < Р_кр), расширение не прекратится.

Средняя плотность вещества, сосредоточенная в виде звезд в галактиках, равна приблизительно 2 • 10³⁰ кг/см³, что почти в 5 раз меньше критической.

Но делать выводы о бесконечном расширении Вселенной пока преждевременно, так как некоторые астрономы высказывают предположение о существовании в галактиках вещества, которое пока еще не обнаружено. Эта «скрытая масса» может изменить оценку принятой сейчас средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому точного ответа на вопрос о будущем Вселенной в настоящее время не имеется.

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 = с = 3 • 10⁵ км/с, откуда



Возраст Вселенной. Если наблюдения пока не позволяют нам с определенностью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то оценить, когда в прошлом это расширение началось, можно с помощью закона Хаббла. Действительно, если наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью и сейчас после «начала» расширения находится на расстоянии r от Земли, то свое удаление она начала в момент



Эти рассуждения применимы для любой галактики. Таким образом, около 13 млрд лет назад все вещество метагалактики было сосредоточено в небольшом объеме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не существовало. Пока не ясны ни физические процессы, протекавшие до этого сверхплотного состояния вещества, ни причины, вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.

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.

Модель «горячей 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 _mах = 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. Конечно, ни о каких галактиках и звездах в этот период говорить не приходится. Они образовались значительно позднее, когда температура и плотность вещества стали ниже. Так как наблюдаемое микроволновое излучение с температурой 2,7 К связано с горячим веществом на ранних этапах эволюции Вселенной, то излучение получило название реликтового (оставшегося от прошлых эпох), а модель расширяющейся Вселенной называют моделью «горячей Вселенной».

                                                             КРАТКИЕ ИТОГИ ГЛАВЫ 17

1.    Млечный Путь — Галактика — рядовая спиральная галактика, состоящая из сотен миллиардов звезд и имеющая в поперечнике около 30 кпк (около 100 000 световых лет).

2.    Солнце находится на расстоянии около 8 кпк от центра Галактики, в котором, по современным представлениям, находится массивная черная дыра массой, превышающей 5 • 10⁶ M.

3.    Наряду   со   спиральными   галактиками   существуют эллиптические и неправильные галактики. Спиральные галактики вращаются, и в них много газа, пыли и молодых горячих звезд. Эллиптические галактики не вращаются, в них отсутствуют газ и пыль, и они состоят в основном из старых звезд.
 
4.    В спектрах галактик наблюдается красное смещение спектральных линий, что указывает на их удаление от нас. Скорость удаления и расстояние до галактики связаны законом Хаббла: = Нг.

5.    Наблюдаемое разбегание галактик объясняется расширением Вселенной. Время примерно 13 млрд лет пол возраст Вселенной, а радиус Вселенной примерно 1000 Mнк. Наблюдение реликтового излучения с температурой Т 2,7 К указывает на то, что в прошлом Вселенная была не только плотной, но и горячей.
 

                                                            ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
 
1.    Определите массу Юпитера по движению его спутника Ио, если спутник обращается вокруг Юпитера по круговой орбите на расстоянии а = 422 • 10³ км, с периодом Т= 1,769 сут.

Решение. Из третьего обобщенного закона Кеплера (15.3), полагая M_ю = M₁ » = М₂ = М_Ио, имеем



тогда М_ю = 1,9 • 10²⁷ кг.

2.    Во сколько раз звезда сверхгигант со светимостью в 10 000 L больше, чем звезда главной последовательности, если их температуры одинаковы и равны 5800 К?

Решение. Звезда главной последовательности с данной температурой — Солнце. Так как



то отношение радиусов



                    УПРАЖНЕНИЕ 15

1.    Определите массу Марса по движению его спутмтса Ден моса, среднее расстояние которого до планеты а = 23 000 км, ме риод обращения 1,26 сут.

2.    Во время великого противостояния Марса, когда он сблизился с Землей на расстояние 0,4 а. е., измеренный угловой диаметр Марса был равен 23". Определите линейный диммечр Марса.

3.    Когда Земля (4 января) находится перигелии, Солнцe движется по небу с угловой скоростью 61' и сутки, а 4 июля, когда Земля в афелии, — 57' в сутки. Онределите эксцентриситет земной орбиты.

4.    Во время вспышки на Солнце было выброшено облако плазмы со скоростью 1000 км/с. За какое время облако плазмы, двигаясь с постоянной скоростью, достигнет Земли?

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. учреждений : базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 17-е изд., перераб. и доп. — М. : Просвещение, 2008. — 399 с : ил.

_{Материалы по физике онлайн, задачи и ответы по классам, планы конспектов уроков по физике скачать}

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.