Урок 32 33 Эволюция Вселенной

Урок 32-33. Эволюция Вселенной
Тема. Эволюция Вселенной
Цели урока. Учащиеся должны:
 Иметь представление и структуре Вселенной.
 Знать доказательства расширения Вселенной.
 Знать современные теории возникновения элементов во Вселенной.
Основные понятия. Эволюция Вселенной. Структура Вселенной. Нуклеосинтез в ранней
Вселенной. Основные периоды эволюции Вселенной. Инфляционная эра. Стадия
рекомбинации водорода. Лептонная эра. Возникновение галактик. Горизонт событий.
Демонстрационный материал. Фотографии и рисунки из Планетария.
Самостоятельная деятельность учащихся. Выступления учащихся на конференции
Мировоззренческий аспект урока. Формирование научной картины мира и научного
мировоззрения учащихся. Развитие навыков логического мышления учащихся и научного
подхода к изучению Вселенной, выявление причинно-следственных связей.
Формирование представлений об универсальности законов физики.
Использование новых информационных технологий. Работа с интерактивными
моделями.
План урока
Формы
использован
ия
планетария
Краткое содержание урока
Время, мин
1
1. Организационный этап
2. Изучение нового материала:
Иллюстраци
и
Иллюстраци
и
3. Закрепление изученного материала:
20
1.5 Обобщающее повторение.
Беседа
учителя
Объяснение
учителя
20
40
4. Конференция «Эволюция Вселенной»
Приемы и
методы
5
Доклады
учащихся
Заключитель
ное слово
учителя
Конспект урока
Под Вселенной мы понимаем материальный мир, рассматриваемый с
астрономической точки зрения.
Космология – это физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя
теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.
1
К.Фламмарион. Познание человеком Вселенной происходило этапами: от столов и
черепахи, поддерживающей Землю, к концентрическим сферам около Земли, центру
Вселенной в Солнечной системе в Средневековье и к современной теории Большого
Взрыва
Во Вселенной медленно происходят изменения, носящие необратимый характер,
например ее расширение.
Наблюдаемую
часть
Вселенной
обычно
называют
Метагалактикой.
Метагалактику составляют различные наблюдаемые структурные элементы: галактики,
звезды, сверхновые, квазары и т. д.
Размеры Метагалактики ограничены нашими возможностями наблюдений и в настоящее
время приняты равными 1026 м.
Ясно, что понятие размеров Вселенной весьма условно: реальная Вселенная
безгранична и нигде не кончается.
На протяжении веков разные космологические модели сменяли друг друга, но
считалось абсолютно незыблемым, что Вселенная бесконечна во времени и пространстве.
Звездное небо над головой являлось символом вечности и неизменности.
В XX веке стали известны два экспериментальных факта, подтверждающих
расширение Вселенной:


красное смещение,
реликтовое излучение.
2
Наличие красного смещения у галактик позволяет с большой точностью
определять расстояния до них. Чем сильнее смещены линии в спектре галактик, тем
дальше галактика. Этот метод определения расстояний до галактик основан на хорошо
известном в физике эффекте Доплера.
Если пользоваться не частотой, а длиной волны, то в системе координат
наблюдателя излучение источника будет описываться формулой
 v


c
где Δ =
  0
– изменение длины волны, v – скорость удаления галактики, c – скорость
0
света, λ0 – длина волны лабораторного, неподвижного источника. С другой стороны,
скорость источника связана с расстоянием до него по закону Хаббла:
vc

0
3
 H R
где H – постоянная Хаббла, R – расстояние до галактики. Зная величину красного

смещения z =
например, для какой-нибудь галактики, мы можем определить

расстояние до нее.
Закон Хаббла был сформулирован Эдвином Хабблом исходя из наблюдений
спектров галактик в 1929 году.
Закон Хаббла
Скорости удаления галактики возрастают пропорционально расстоянию до них:
v  H R
Хаббл Эдвин Пауэлл (1889–1953), Разработал основы структурной классификации
галактик. Имя Эдвина Хаббла носит крупнейший космический телескоп.
Закон Хаббла вовсе не означает, что наша Галактика является центром, от которого
и идет расширение. В любой точке Вселенной наблюдатель увидит ту же самую картину:
все галактики имеют красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Поэтому
иногда говорят, что расширяется само пространство. Это, естественно, следует понимать
условно: галактики, звезды, планеты и мы с вами не расширяемся.
В настоящие время принято считать, что разбегание галактик, связанное с общим
расширением окружающей нас части Вселенной, есть результат Большого Взрыва.
В 2003 году была обнаружена одна из самых удаленных галактик - галактика в
созвездии Волосы Вероники, находящаяся от нас на расстоянии 12, 8 млрд.лет, когда
после большого Взрыва прошло всего около 900 млн. лет и Вселенная находилась в
младенческом возрасте. Изучение таких галактик не просто приближает нас к границам
Вселенной, но позволяет изучать галактики во время их формирования.
4
Рис. Закон Хаббла.
Постоянная Хаббла в настоящее время принимается равной H = 60 км/(с∙Мпк).
Наблюдаемая граница Вселенной – это граница, отделяющая наблюдателя от
области, которую он принципиально не может увидеть. Эта область для наблюдателя
является ненаблюдаемой и существует вследствие расширения Вселенной.
Со времени Большого Взрыва прошло 13,6 млрд лет. Расширение Вселенной
началось с сингулярного состояния. За это время свет успел пройти расстояние s = c t –
13,6 млрд св. лет.
Очевидно, что у наблюдателя, находящегося в другом месте во Вселенной, своя
собственная наблюдаемая граница Вселенной, подобно тому, как каждый наблюдатель на
земном шаре имеет свой горизонт.
Горизонт видимости во Вселенной.
5
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.
ГАМОВ Георгий
Антонович.
Выдвинул
гипотезу «горячей
Вселенной»
и
оценил
температуру
реликтового
излучения в 1946
г.
Роберт Вильсон и Арно Пензиас.
Удостоены Нобелевской премии в
1978 г. За открытие реликтового
излучения.
Модель молодой Вселенной
Наблюдаемое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение) приходит
с расстояний, определяемых рекомбинацией, т. е. практически с расстояний до горизонта
видимости во Вселенной.
С течением времени горизонт расширяется по мере того, как к наблюдателю
доходит свет от более далёких областей Вселенной. Чем ближе к горизонту расположен
источник излучения, тем больше для него значение красного смещения z. На самом
горизонте красное смещение z  .
В космологии этот горизонт называют горизонтом частиц. Горизонт частиц - это
расстояние до самого далекого источника, в принципе наблюдаемого в данный момент
времени. Расстояние определяется до объекта в момент приема фотона, а не в момент
излучения. Иногда этот радиус определяют по-другому: расстояние, которое фотон может
пройти от t = 0 до момента регистрации фотона. В ускоряющейся Вселенной есть
объекты, которые мы никогда не увидим, сколько бы ни ждали. Этот горизонт нельзя
определить как скорость света, умноженную на время после начала расширения
Вселенной.
6
Расширяющаяся Вселенная.
Таким образом, в доступном для наблюдений объёме Вселенной находится, хотя и
очень большое, но конечное число галактик и звёзд.
Первичное распределение элементов во Вселенной. Возникновение элементов в
процессе эволюции Вселенной
Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед
космологией.
По теоретическим расчетам, в течение первых 10–36 с, когда температура
Вселенной была больше 1028 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.
При температуре 5∙1012 К закончилась стадия рекомбинации: почти все протоны и
нейтроны аннигилировали, превратившись в фотоны; остались только те, для которых не
хватило античастиц. Как показали наблюдения, на один барион приходится почти
миллиард фотонов – продуктов аннигиляции. Значит, первоначальный избыток частиц по
сравнению с античастицами составляет одну миллиардную от их числа. Именно из этого
«избыточного» вещества и состоит в основном вещество наблюдаемой Вселенной.
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
7
водорода (75 %) и гелия (25 %) по теории первичного нуклеосинтеза подтверждаются
распространенностью легких элементов в космосе в настоящее время.
Согласно модели горячей Вселенной 20–30 % первичного водорода (по массе)
должно было превратиться в гелий еще в начальной стадии космологического расширения
Вселенной.
Название эпохи
Рождение
классического
пространствавремени
Стадия инфляции
Рождение
вещества
Стадия
рекомбинации
Первичный
нуклеосинтез
Стадия
рекомбинации
водорода
Возникновение
галактик
Появление
тяжелых
элементов
Современная
эпоха
Краткая история развития Вселенной
Физические процессы
Время, прошедшее
с момента
Большого Взрыва
Вселенная рождается из состояния
5∙10–44 c
сингулярности, из пространственновременной «пены»
Вселенная начинает расширяться,
5∙10–44–10–36 c
появляются возмущения плотности,
из которых потом образуются
скопления
галактик.
Появляется
барионная асимметрия
Появляется
горячая
плазма,
начиная с 10–36 c
состоящая из элементарных частиц,
«кваркового супа»
Аннигиляция частиц и античастиц с
вплоть до 1 с
образованием квантов излучения
Образуются протоны и нейтроны.
1–200 с
Возникновение ядер водорода и
гелия, а также лития и бериллия.
Вещество становится прозрачным. 1 с – 1 000 000 лет
Образование реликтового излучения
Температу
ра
1032 К
более
1028 К
1028 К
5∙1012–
1013 К
109–1010 К
4500–
3000 К
Начало возникновения звезд и
галактик
Образование тяжелых ядер при
взрывах звезд
1 млрд. лет
30 К
3 млрд. лет
10 К
Существование галактик и звезд.
Расширение Вселенной продолжается
15–20 млрд. лет
2,725 К
На ранних стадиях расширения Вселенной в ходе реакций происходивших
между «элементарными» частицами, образовались ядра атомов водорода и гелия. Более
тяжелые элементы не успели возникнуть, так как Вселенная расширялась и остывала.
Более тяжелые химические элементы появились позже, как продукты ядерных
реакций, происходивших в недрах звезд. Эти элементы рассеивались в пространстве,
например, в результате взрыва сверхновых, из них возникали новые звезды второго
поколения, уже обогащенные тяжелыми элементами.
В настоящее время распространённость химических элементов отражена в таблице
«Космическая распространенность наиболее обильных элементов». При составлении
этой таблицы учитывалось распространение элементов не только на Земле, но и на
Солнце, звёздах, а также состав космических лучей. Наибольшую распространенность
имеет водород, за ним следует гелий.
8
Космическая распространенность наиболее обильных элементов (по А. Камерону)
Элемент Порядковый
номер
H
He
C*
N
O
Ne
Na
Al
Si
S
Ar
Ca
Fe
Распространенность
по числу атомов
1
2
6
7
8
10
11
13
14
16
18
20
26
Концентрация
по массе ( масса элемента в
1 г космического вещества)
0,774
0,208
Как видно из данной таблицы, самый распространенный элемент во Вселенной –
водород. Анализируя химический состав планет нашей Солнечной системы можно прийти
к выводу, что наше Солнце образовалось из протозвёздного облака уже обогащённого
тяжелыми элементами. Поэтому можно сказать, что мы – дети вспышек сверхновых.
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.
Распределение температуры реликтового излучения. На этой карте всего неба
излучение в направлении движения Земли показывает голубое смещение и выглядит
горячее, в то время как в противоположном направлении оно показывает красное
смещение и представляется более холодным. Хорошо заметна дипольная составляющая,
вызванная эффектом Доплера. Местная группа движется со скоростью около 600
километров в секунду относительно реликтового излучения. Светлые области
отличаются от темных всего на 0,001 К
Открытие анизотропии реликтового излучения также подтверждает теорию
Горячей Вселенной и Большого Взрыва. Вселенная не имеет ни начала, ни конца, она
всегда существовала и будет существовать; она бесконечна в пространстве и вечна во
времени. Вселенная непрерывно изменяется, развивается, эволюционирует.
9
Изучение скоплений галактик и движение галактик в скоплениях показало, что
существует так называемая скрытая масса – тёмная материя.
Скопление галактик в Персее.
10
Скопление галактик в Геркулесе
Скопление галактик в Деве.
Ближайшее к нам крупное скоплений галактик, насчитывающее тысячи галактик,
находится в созвездии Девы и занимает на небе область с радиусом более 20o.
11
Скопления галактик по-видимому самые устойчивые образования во Вселенной.
Области с повышенной концентрацией галактик сопровождаются с областями с
пониженной концентрацией галактик.
Характерный размер скоплений галактик – несколько Мпк. Среднее расстояние
между скоплениями 30 Мпк. В любом кубе со стороной 300 Мпк, что соответствует 10
миллиардам световых лет, содержится примерно 1000 скоплений. В этих масштабах
вещество распределено уже однородно. Но наряду со скоплениями галактик существуют и
более крупные неоднородности с размерами 50–100 Мпк, образующие
крупномасштабную структуру Вселенной.
В конце ХХ века Я.Б.Зельдовичем и его сотрудниками была разработана теория
«блинов». Эта теория предсказывала, что вскоре после рекомбинации, когда в
первоначально ионизованном веществе молодой Вселенной ионы объединились с
электронами, образовав нейтральные атомы водорода и гелия, выделяются
неоднородности с массой около 1015 солнечных масс, которые начинают сжиматься.
Причем это сжатие происходит несимметрично. При этом образуются плоские объекты,
которые за свою форму получили название «блинов». Это подтверждается современными
наблюдениями скоплений галактик и наличием ячеек в пространственном распределении
галактик.
12
Пространственное распределение скоплений галактик по результатам
компьютерного моделирования (крупномасштабная структура).
В XXI веке открыли ускорение расширения Вселенной. В настоящее время идут
попытки связать факт ускорения расширения с фактом ненулевой массы нейтрино и
тёмной материей.
Вопросы для рефлексии:
1. Как называется стадия развития Вселенной, при которой стали образовываться
первые частицы и античастицы?
2. Почему так распространен в настоящее время элемент железо?
3. Через сколько лет после Большого Взрыва начали образовываться первые звёзды и
галактики?
4. Через сколько лет после Большого Взрыва стали образовываться тяжёлые
элементы? Каким способом это стало происходить?
5. Как образуются и распространяются во Вселенной биологически важные для
жизни элементы, такие как кислород и углерод?
6. Как и когда возникли галактики?
Далее идёт подготовка к конференции.
Конференцию рекомендуется провести в игровой форме: пресс-конференции, на
которой класс делится на «учёных», отвечающих на вопросы и «журналистов». «Учёные»
могут делать маленькие доклады-выступления перед началом пресс-конференции.
13