Презентация к занятию по теме "Представление о космологии. Красное смещение"

10-11 класс
УМК Б.А.Воронцова-Вельяминова

Космология
начала XX века

Веста

Паллада

Веста

Паллада

Теоретическим фундаментом современной космологии явилась созданная Альбертом Эйнштейном (1879–1955) в начале XX в. общая теория относительности – релятивистская теория тяготения.

Современная космологическая модель , первая из которых была разработана Александром Александровичем Фридманом (1888–1925) на основе теории Эйнштейна носит эволюционный характер.

Для уравнений теории относительности, применённых ко всей Вселенной, Эйнштейн стал искать решения, описывающие её состояние, не меняющееся со временем.

Для того чтобы уравновесить силы тяготения, он предположил, что кроме них во Вселенной существует сила отталкивания.

Паллада

.
.

В 1922–1924 годах российский математик Фридман вывел из общей теории относительности Эйнштейна уравнения, которые описывали общее строение и эволюцию Вселенной

Материя в масштабах однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое – Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться

Веста

Паллада

Веста

Паллада

Иллюстрация разбегания галактик нанесенных на поверхность надуваемого воздушного шарика

Точно такая же картина «разбегания» галактик будет наблюдаться для любой другой галактики Вселенной.

Веста

Паллада

примерно
13,5 млрд лет.

Открытие Хабблом «красного смещения» и работы Фридмана, показавшего, что Вселенная не может быть стационарной, явились только началом исследований эволюции Вселенной.

Веста

Паллада

Взаимное удаление галактик означает, что в прошлом они были гораздо ближе друг к другу, чем теперь.
В ещё более раннюю эпоху плотность вещества была так велика, что во Вселенной не могло существовать ни галактик, ни звёзд и никаких других наблюдаемых ныне объектов.
Расчёты прошлого, проведённые на основе космологических моделей Фридмана, показывают, что в момент начала расширения Вселенной её вещество должно иметь огромную (бесконечно большую) плотность.

Перед наукой встала задача изучения тех физических процессов, которые происходят в расширяющейся Вселенной на разных этапах её эволюции вплоть до современности, а также тех, которые предстоят во Вселенной в будущем.

Основы современной космологии

Георгий Антонович Гамов
(1904 – 1968)

В работах Георгия Антоновича Гамова и его сотрудников была выдвинута гипотеза о том, что вещество во Вселенной на начальных стадиях расширения имело не только большую плотность, но и высокую температуру.

Спустя 0,1 с после начала расширения температура была около 3•1010 К.
Образование пар всех известных частиц и античастиц: электрон – позитрон, нейтрино – антинейтрино и т.п.
При аннигиляции этих пар снова рождались фотоны, а протоны и нейтроны, взаимодействуя с ними, превращались друг в друга.

При очень высокой температуре сложные атомные ядра существовать не могут – они моментально были бы разрушены окружающими энергичными частицами, поэтому не образуются даже ядра дейтерия, хотя нейтроны и протоны существуют.

По мере расширения плотность вещества и его температура уменьшаются.
При температуре Вселенной ниже 1 млрд К.
нейтроны составляют примерно 15% массы всего вещества. Остальное вещество – протоны (ядра атомов водорода).
Соединение равного количества протонов и нейтронов приведёт к образованию дейтерия, а в процессе следующих ядерных реакций образуются ядра гелия.

.
Спустя пять минут после начала расширения, когда температура во Вселенной становится недостаточной для термоядерных реакций, вещество состоит из смеси ядер водорода (70% массы) и ядер гелия (30%).
Таким его состав остаётся до того времени, пока не происходит образование звёзд и галактик. Это достаточно хорошо согласуется с выводами теории, которая основана на предположении о «горячей Вселенной».

Спустя примерно миллион лет после начала расширения, когда температура снижается до 4000 К, ядра атомов водорода и гелия, захватывая электроны, превращаются в нейтральные атомы.
Эта эпоха явилась важнейшим этапом в эволюции Вселенной.
Во-первых, только с появлением нейтрального вещества становится возможным формирование отдельных небесных тел и их систем.
Во-вторых, излучение, которое играло важную роль в процессах, происходивших прежде, практически не взаимодействовало с нейтральным веществом.

.

Эраст Борисович Глинер

В 1965 г. российский физик-теоретик Э. Б. Глинер выдвинул гипотезу, согласно которой начальным состоянием Вселенной был вакуум.

Дальнейшие исследования показали, что для гравитационных сил вакуума характерно не привычное всем притяжение, а отталкивание.

.
.

За это открытие две группы учёных получили Нобелевскую премию по физике за 2011 г.

Учёные пришли к выводу: наблюдаемое ускорение создаёт неизвестный прежде вид материи, который обладает свойством антигравитации. Он получил название тёмной энергии.

Открытие антитяготения, которое оказалось неожиданным для большинства людей, подтвердило предвидение А.Эйнштейна.

Тёмная энергия – это свойство самого пространства.

Суперкомпьютер создал изображение на основе данных о гравитационном поле: «паутина» темной материи с развешанными на ней гроздьями из галактических скоплений в местах пересечения гигантских темных нитей.
Одно только созвездие Девы стало пристанищем для тысяч галактик.

Три вида материи.
1. «Обычная» материя, изучению которой человечество посвятило всю предшествующую историю, составляет всего лишь несколько процентов массы Вселенной.
2. 26% составляет тёмная материя.
3. 69%, большая часть массы Вселенной, приходится на долю тёмной энергии – нового вида материи, уникальные свойства которой ещё предстоит изучить.

Развитие современной космологии в очередной раз показало безграничные возможности человеческого разума, способного исследовать сложнейшие процессы, которые происходят во Вселенной на протяжении миллиардов лет.

Свет галактик в основном представляет собой суммарный свет миллиардов звезд.
Наблюдения показывают, что линии в спектрах всех известных галактик смещены к красному концу спектра. Это явление было названо красным смещением.

Интерпретация этого явления связана с эффектом Доплера, согласно которому смещение спектральных линий вызвано движением (удалением) излучающего объекта (галактики) по направлению от наблюдателя.
𝒗𝒗=𝒄𝒄∙𝒛𝒛 – Формула Доплера
где с = 𝟑𝟑 ∙ 𝟏𝟏𝟎𝟎𝟓𝟓 км/с — скорость света,
z – показатель красного смещения

Закон Хаббла: скорости удаления галактик возрастают прямо пропорционально расстоянию до них.
𝒗𝒗=𝑯𝑯∗𝒓𝒓 – формула Хаббла
Н = 𝟕𝟕𝟓𝟓 км/(с ∙ Мпк) – постоянная Хаббла

Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной. Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.

В 1968 г. было обнаружено излучение, которое не связано ни с одним известным источником радиоизлучения, которое шло со всех сторон и соответствовало температуре 2,7 К.
На ранних этапах эволюции Вселенной, плотность и температура этого излучения были существенно выше. Наблюдаемое излучение связано с горячим веществом на ранних этапах эволюции Вселенной. Оно получило название реликтового.