Строение и эволюция Вселенной

Тема урока: Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная

Цель урока: изучить строение и эволюцию Вселенной как целого

Задачи урока:

1. Определить такие понятия темы, как космология, Вселенная, Метагалактика;

2. Определить содержание космологического принципа, фотометрического парадокса, гравитационного парадокса;

3. Установить связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и бесконечности Вселенной;

4. Описать космологическую модель «горячей Вселенной».

Оборудование к уроку, необходимое дополнительные материалы: презентация

Оборудование: воздушный шарик для иллюстрации расширения Вселенной, презентация

Ход урока

1. Актуализация опорных знаний

1.1. Прочитайте стихотворение Самуила Маршака и проанализируйте его строки.

Самуил Маршак Только ночью видишь ты вселенную...

Только ночью видишь ты вселенную. 
Тишина и темнота нужна, 
Чтоб на эту встречу сокровенную, 
Не закрыв лица, пришла она. 

Вопросы для анализа стихотворения:

• о чем размышлял человек, написавший эти строки? (почему только ночью можно увидеть Вселенную? Как может Вселенная «закрыть свое лицо»?)

• назовите способы для лучшего рассмотрения лика Вселенной

• что возникает перед твоими глазами, когда ты читаешь эти строки?

• слышится ли тебе музыка, когда ты читаешь эти строки? Какая музыка?

• в какой ситуации ты мог захотеть прочитать эти строки?

1.2. Составь свою Вселенную, используя свои представления и предложенные свойства

№	Свойства Вселенной		Аргументы
	Конечна	Бесконечна
	Ограничена	Безгранична
	Статична	Нестационарная

1.3. Определите основные свойства Вселенной

2. Организация усвоения новых знаний

2.1. Прочитайте текс описывающий эффект Доплера и ответьте на вопросы.

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

	Эффект Доплера для звуковых волн	Эффект Доплера для световых волн (или красное смещение)
пример	Движение машины с включенной сиреной	Движение далеких Галактик
Результаты наблюдения	Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится, и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон,	Красное смещение для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912—1914; в 1929 Э. Хаббл открыл, что Красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон К. с., или закон Хаббла). В результате красного смещения происходит уменьшении энергии приходящих фотонов.

Вопросы для обсуждения:

1. Можно ли «слышать» и «видеть» эффект Доплера? Приведите примеры.

2. Почему линии в спектрах далеких галактик смеще­ны в красную сторону?

3. Почему красное смещение, определенное по боль­шому числу галактик, растет ступенчато с расстоянием?

4. Почему несколько ближайших галактик имеет фио­летовое смещение?

Ответы:

1. Акустический эффект Доплера можно слышать, как изменение тона звука свистка проносящегося мимо платформы поезда. «Видеть» эффект можно, хотя бы в ванне или пруду. Периодически погружая палец в воду, чтобы на поверхности образовались волны, равномерно перемещайте его в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн в направлении движения пальца будут сгущаться, т. е. длина волны станет меньше обычной, в направлении назад — больше.

2. Это явление получило название «метагалактическое красное смещение». Оно интерпретируется согласно прин­ципу Доплера как увеличение средних расстояний между галактиками. Причиной этого является, по современным воззрениям, огромный взрыв, происшедший 10—20 млрд лет назад и приведший к разбеганию галактик.

3. Этот наблюдательный факт доказывает ячеистую структуру Метагалактики.

4. Пекулярные скорости этих галактик больше скоро­стей разбегания галактик.

2.2. Сформулируйте ответ на вопрос после рассмотрения содержания фотометрического и гравитационного парадоксов (работа производится в группах; каждая группа изучает один из парадоксов, в дальнейшем один из представителей группы пересказывает его суть, решение, а так же отвечает на поставленные вопросы).

Фотометрический парадокс (подробно изложен немецким ученым Генрихом Ольбресом в 1826 году): в бесконечной Вселенной, заполненной звездами в хаотичном порядке, наблюдатель с Земли должен постоянно натыкаться взглядом на поверхность звезды (яркость объекта не зависит от расстояния до него). В действительности этого нет.

Для объяснения парадокса Ольберс предположил, что в межзвездном пространстве имеется рассеянное вещество, которое поглощает свет далеких звезд.

Вопросы для обсуждения:

1. Поясните невозможность объяснения фотометрического парадокса наличием во Вселенной темной поглощающей материи.

2. Можно ли объяснить парадокс на основе существования красного смещения? Если да, то как?

3. Поясните истинность высказывания советского космолога А.Л. Зельманова, утверждавшего, что сжатие Вселенной будет происходить без свидетелей.

Ответы:

1. Хотя спустя столетие межзвездное поглощение света действительно было обнаружено, оно не смогло разрешить фотометрический парадокс, т.к. сами пылинки в безграничной и вечной Вселенной, однородно заполненной звездами, нагрелись бы до температуры звездной поверхности и светились бы как звезды.

2. Фотометрический парадокс существует только в однородной и изотропной статической Вселенной. В теории расширяющейся Вселенной, разработанной Александром Фридманом и Эдвином Хабблом, фотометрического парадокса не возникает из-за существования красного смещения. В результате красного смещения происходит уменьшении энергии приходящих фотонов.

3. В результате фиолетового смещения происходит увеличении энергии приходящих фотонов и как следствие тепловая смерть человечества.

Гравитационный парадокс (сформулирован в 1895г немецким астрономом Х. Зеелигером): пользуясь законом Ньютона, в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в заданной точке. Если ее вычислять, суммируя силы, действующие на точку с массой m, которые создаются концентрическими слоями с центром в этой же точке, то получится нуль. Если осуществлять расчет для концентрических слоев с центром в другой точке, удаленной на расстояние г от данной, то сила тяготения окажется равной силе, с которой шар радиусом г притягивает точку, расположенную на его поверхности.

Вопросы для обсуждения:

1. Какое противоречие рассматривает гравитационный парадокс?

2. Если гравитационный парадокс имеет место, то справедлив ли закон всемирного тяготения? Ответ поясните.

3. Выскажите свое мнение к возможным двум решениям парадокса.

Некоторые предложения по решению проблемы:

Конечная масса вещества. Проще всего пред­по­ло­жить, что во Все­лен­ной су­ще­ству­ет лишь ко­неч­ное ко­ли­че­ство ве­ще­ства. Эту ги­по­те­зу рас­смат­ри­вал ещё Исаак Ньютон в пись­ме Ричар­ду Бентли. Ана­лиз по­ка­зал, что по­доб­ный «звёзд­ный ост­ров» со вре­ме­нем, под дей­стви­ем вза­и­мо­вли­я­ния звёзд, либо со­еди­нит­ся в одно тело, либо рас­се­ет­ся в бес­ко­неч­ной пустоте. 

Современная трактовка. Ньютоновская  тео­рия тя­го­те­ния, как вы­яс­ни­лось в на­ча­ле XX века, непри­ме­ни­ма для рас­чё­та силь­ных полей тя­го­те­ния. В общей теории относительности гравитационный парадокс отсутствует, по­сколь­ку сила тя­го­те­ния в ОТО есть ло­каль­ное следствие неевклидовой геометрии, по­это­му сила все­гда од­но­знач­но опре­де­ле­на и конечна. Основы этой теории были заложены в 1916 г А. Эйнштейном (для частного случая статической Вселенной). В общем, виде космологические решения были найдены А.А. Фридманом 1922 г, который показал, что однородная изотропная Вселенная должна быть нестационарной.

3. Подведение итогов урока

3.1. Определите свойства нестационарной Вселенной (Метагалактики) заполнив пропуски в предложении (подготовленный текст выдается каждому ученику, работая с текстом учебника, ученик заполняет пропуски):

• В основе модели нестационарной Вселенной лежит обнаружение красного смещения для далеких галактик .

• Расширение метагалактики: скорость удаления далеких объектов определяется законом Хаббла: , где Н=72. Использование закона Хаббла позволяет определить расстояние до далеких объектов и возраст Метагалактики: , . Теория расширяющейся метагалактики дает законы изменения температуры и плотности: , t – время, выраженное в секундах.

• Химический состав Метагалактики: водород - около 75%, гелия – около 25%.

• Выполнение антропогенного принципа, согласно которому эволюция Метагалактики идет в направлении, обуславливающем возникновение разумных существ.

• Дальнейшее поведение Метагалактики определяется ее средней плотностью: в зависимости от значения средней плотности вещества (ρ) расширение может происходить неограниченно во времени или же со временем сменится сжатием. Эта зависимость определяется значением критической плотности . Поведения Метагалактики в будущем неопределенно из-за наличия темной материи, существование которой сложно обнаружить по ее излучению и включающей до 95 % от всего вещества, – черные дыры, маломассивные звезды малой светимости, нейтрино и т.д.

• «Модель «горячей Вселенной»: в прошлом излучение и вещество эффективно взаимодействовали между собой, между ними существовало термодинамическое взаимодействие. Температура вещества и излучения была одинаковой и высокой – Вселенная была «горячей».

1. Вопросы для фронтального обсуждения:

1. Почему разбегаются галактики, хотя в то время, когда произошел Большой взрыв, их еще не существовало?

1. Почему Вселенная нестационарна?

2. Влияет ли космологическое расширение Метага­лактики на расстояние между Землей и: а) Луной; б) цен­тром Галактики; в) галактикой М31 в созвездии Андроме­ды; г) центром местного сверхскопления галактик?

3. Может ли быть бесконечное расширение Вселен­ной?

4. Каких химических элементов больше всего во Все­ленной и когда они образовались?

Ответы:

1. Галактики образовались из разлетающегося веще­ства и сохранили его импульс.

2. Основная сила в космосе — это гравитация, кото­рая стремится собрать все вещество. Равновесие при дей­ствии только сил тяготения невозможно. В зависимости от величины начальной скорости вещество может неограни­ченно расширяться или расширяться с замедлением

3. В космологическом расширении не участвуют гра­витационно-связанные системы (Солнечная система, га­лактика, скопления галактик). Поэтому в этих случаях кос­мологическое расширение не влияет на расстояния между Землей и указанными объектами.

4. Если средняя плотность вещества Вселенной будет меньше критической плотности р_кр= 3  10^-27 кг/м³, то Все­ленная будет бесконечно расширяться. Современные оцен­ки средней плотности видимого вещества дают значение р = 3 -10^-28 кг/м³. Учет скрытой массы может увеличить эту величину. Таким образом, вопрос о будущем Вселенной еще не решен.

5. По массе во Вселенной больше всего водорода (77,4%) и гелия (20,8%). Водород и гелий образовались че­рез 5 минут после начала Большого взрыва.

1. Домашнее задание: § 34, 35; выписать основные этапы эволюции Вселенной и охарактеризовать их

Примерное содержание таблицы «Этапы эволюции Вселенной»

Эры	Время от «начала»,с	Этапы эволюции	Температура, К	Плотность, г/см
План-ковская		Рождение реликтовых гравитонов	?	?
Андронная	до 10	Граница применимости релятивистской теории тяготения Возникновение зарядовой ассиметрии Аннигиляция нуклонов и антинуклонов	10 10 3*10	10 10 10
Лептонная	10 10 0,2	Граница применимости экспериментально проверенных законов физики Аннигиляция мезонов Образование реликтового нейтрино	10 3*10 2*10	10 10 10
Излучения	10 10	Аннигиляция электронов и позитронов Образование первичного гелия	10 10	10 10
Вещества	10 10 10	Отрыв реликтового излучения Начало возникновения звезд и галактик Современная эпоха	4*10 30 2,7	10 10 10

Литература

1. Гусев Е.Б. Сборник вопросов и качественных задач по астрономии: Кн. для учащихся / Е.Б Гусев. – М.: Просвещение, 2002. – 173 с.

2. Чаругин В.М. Астрономия 10-11 классы : учеб. для общеобразоват. организаций : базовый уровень / В.М. Чаругин. – М.: Просвещение, 2018 – 144 с.

3.  http://class-fizika.ru/prd12.html

4. http://www.krugosvet.ru/

9