Строение и эволюция Вселенной

Описание презентации по отдельным слайдам:

• 

  1 слайд

  Санкт-Петербург
  Невский район
  
  Строение и эволюция Вселенной
  Учитель физики Боровская Елена Михайловна
  

• 

  2 слайд

  Взаимосвязь человека и Вселенной
  Космология – раздел астрономии, изучающий строение и эволюцию Вселенной, как единого целого физ. объекта, в составе которого взаимодействуют и движутся галактические скопления и отдельные галактики, которые в настоящее время удаляются друг от друга в просторах Вселенной, т.е. разбегаются
  Космология
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  3 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Различные представления о строении и эволюции Вселенной у разных народов, живущих на Земле до нашей эры
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  4 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Различные представления о строении и эволюции Вселенной
  Геоцентрическая система
  Клавдия Птолемея (II в.)
  от др.греч. Γῆ, Γαῖα – Земля, т.е. пред-ставление об устройстве мира, согласно которому в центре Вселенной – непод-вижная Земля, вокруг которой вращают-ся Солнце, Луна, планеты и звёзды, воз-никло в Древней Греции, является осно-вой античной и средневековой астроно-мии и космологии, подробно описано К. Птолемеем в его научном труде “Альмагест”
  Гелиоцентрическая система Николая Коперника (XVI в.)
  от греч. ήλιο - солнечный свет, т.е. представление об устройстве мира, со-гласно которому Солнце расположено в центре Вселенной, а Земля вместе с Лу-ной совершает годовое вращение вокруг Солнца и суточное вращение вокруг своей оси; звёзды при этом неподвижны относительно Солнца.
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  5 слайд

  Альберт Эйнштейн (XX в.)
  Общая теория относительности
  – геометрическая теория тяготения, объ-ясняющая, что гравитационные эффек-ты обусловлены не силовым взаимодей-ствием тел и полей, находящихся в про-странстве-времени, а деформацией са-мого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии.
  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Различные представления о строении и эволюции Вселенной
  Исаака Ньютона (XVII в.)
  классическая теория тяготения
  – теория, описывающая гравитационное взаимодействие в рамках классической механики, т.е. по закону всемирного тя-готения:
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  6 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Фотометрический парадокс (Генрих Ольберс, Германия, 1826 г.)
  Т.к. в бесконечной однородной и изотропной статичной Вселенной число звёзд стремит-ся к бесконечности, а с поверхности Земли любой наблюдатель при этом может смотреть только в каком-то определённом направлении, и его луч зрения в итоге обязательно попа-дает в какую-нибудь звезду, то логично предположить, что всё небо тогда должно быть покрыто дисками звёзд разных угловых размеров; причём звёздных дисков с меньшими угловыми размерами будет больше
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  7 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Фотометрический парадокс (Генрих Ольберс, Германия, 1826 г.)
  Если предположить, что все звёзды подобны Солнцу, то любой участок неба в этой связи должен быть таким же ярким, как и солнечный диск, но в реальности это не так, по-тому что в ночное время суток темно; а если бы Вселенная была конечной, то число звёзд в такой Вселенной тоже было бы конечным, и тогда небо не смогло бы быть столь ярким; но в этой ситуации предположение о конечности Вселенной противоречит наблюдаемому рав-номерному распределению звёзд в ней, что в соответствии с законом всемирного тяготения И. Ньютона в ограниченной конечной Вселенной должны в итоге сконцентрироваться в одном локальном месте
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  8 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Фотометрический парадокс (Генрих Ольберс, Германия, 1826 г.)
  Причины отсутствия фотометрического парадокса:
  1. конечность объёма наблюдаемой звёздной Вселенной; 2. потеря энергии фотонами, т.к.:
  по формуле М. Планка энергия фотона (кванта электромагнитного излучения) равна:
  , где:
  – изменение длины волны излучения
  – параметр красного смещения
  Генрих Ольберс, Германия, 1758-1840
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  9 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Фотометрический парадокс (Генрих Ольберс, Германия, 1826 г.)
  Кристиан Доплер, Австрия,
  1803-1853
  Красное смещение
  – это сдвиг спектральных линий хим. элементов в длинноволновую красную сторону, а си-нее смещение – сдвиг этих линий в коротковолновую фиолетовую сторону; впервые сдвиг спектральных линий в спектрах небесных тел объяснил И. Физо в 1848 г. на основе эффек-та К. Доплера
  Ипполит Физо, Франция,
  1819-1896
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  10 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Фотометрический парадокс (Генрих Ольберс, Германия, 1826 г.)
  Красное смещение
  Т.к. параметр красного смещения – , где:
  – длина волны в точке наблюдения
  – длина волны в точке испускания
  излучения
  Космологическое (метагалак-тическое) красное смещение – это наблюдаемое для всех далёких источников (галакти-ки, квазары) понижение час-тот излучения, объясняемое как динамическое удаление этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Га-лактики, т.е. как нестационар-ность (расширение) метага-лактики.
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  11 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Гравитационный парадокс (Хуго фон Зелигер, Германия, 1895 г.)
  Хуго фон Зелигер, Германия, 1849-1924
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  12 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Гравитационный парадокс (Хуго фон Зелигер, Германия, 1895 г.)
  1) суммируя все гравитационные силы, од-новременно действующие на эту точку маc-сой – m, которые создаются одномоментно разными концентрическими сферическими слоями с центром в этой же самой точке массой – m, то равнодействующая сила –
  в итоге, как результат этой векторной сум-мы, будет равна нулю
  Т.к. в соответствии с законом И. Ньютона в бесконечной Вселенной, равномерно за-полненной веществом, нельзя точно рассчитать силу гравитации в любой её заданной точ-ке в связи с тем, что:
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  13 слайд

  Конечность и бесконечность Вселенной, парадоксы классической космологии
  Гравитационный парадокс (Хуго фон Зелигер, Германия, 1895 г.)
  2) если же производить расчёт для подобных концентрических слоёв с центром в любой другой точке на удалении – r от рассматриваемой, то гравитационная сила тяготения будет равна силе, с которой шар радиусом – притягивает любую точку массой – m, располо-женную на его поверхности:
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  14 слайд

  Закон Эдвина Хаббла
  , где:
  Телескоп имени Э. Хаббла
  Э. Хаббл
  – скорость расширения Вселенной, т.е. скорость удаления галактик друг от друга
  – постоянная Э. Хаббла
  – наблюдаемое удаление данной галактики от планеты Земля;
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  15 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Модель Александра Александровича Фридмана
  Т.к. Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарна; и в зависимости от средней плотности вещества в этой связи она должна либо сжиматься, ли-бо расширяться; то при её расширении – - скорость удаления галактик друг от друга, т.е. скорость их разбегания, пропорциональна удалению до них:
  Например, при наблюдении с Земли за некоторой галактикой на её движение оказывает гравитационное влияние только то вещество, которое находится внутри сферы наблюдения, т.о. – масса этого вещества:
  т.к. объём этой сферы
  Т.к. - критическое значение плотности вещества влияет на характер движения Вселен-ной и на её геометрию, то в соответствии с общей теорией относительности А. Эйнштейна:
  , где:
  - гравитационная постоянная в соответствии с законом всемирного тяготения И. Ньютона
  , где:
  – массы разбегающихся галактик, а начальное удаление их
  друг от друга в пространстве –
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  16 слайд

  Космологические модели Вселенной
  В соответствии с законом Э. Хаббла: , если скорость удаления некоторой наблюдаемой с Земли галактики окажется меньше второй космической скорости – для данной сферы наблюдения, то в результате вместо удаления этой галактики от Земли про-изойдёт её приближение к Земле, т.е. процесс расширения Вселенной сменится её сжатием.
  Модель Александра Александровича Фридмана
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  17 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Модель Георгия Антоновича Гамова
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  18 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Модель Георгия Антоновича Гамова
  Логично предположить, что до образования звёзд вещество состояло из водорода ( ), и первые образованные звёзды были чисто водородными, но из-за возникших в их недрах термоядерных реакций начал образовываться гелий ( ); при этом часть звёздного ве-щества ( и ) возвращалась в межзвёздную среду либо при взрывах сверхновых, ли-бо при спокойном сбросе вещества, которая и формировала образование нового поколения звёзд; поэтому в настоящее время образованный изначально в недрах звёзд гелий составля-ет 30% всей массы Вселенной; т.к. при термоядерном синтезе в недрах Солнца выделяется за каждую секунду
  а также считая, что возраст Галактики соизмерим с возрастом Вселенной, можно рассчи-тать массу всего образованного гелия в ней за всё время существования Вселенной:
  Т.о. очевидно, что масса всего образованного гелия во Вселенной значительно меньше всей массы Галактики, значит, основная масса гелия во Вселенной образовалась не в звёздах, а на ранних стадиях её расширения до образования в ней звёзд, причём при термоядерном синтезе образование гелия возможно лишь при температуре свыше нескольких миллионов кельвин на ранних этапах расширения Вселенная была плотной и горячей
  светимость Солнца: ,
  т.е. каждую секунду образуется ядер гелия ( ) масса образованного гелия за каждую секунду: ; учитывая, что во Вселенной звёзд и возраст Вселенной:
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  19 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Реликтовое излучение
  Если скорость удаления некоторой галактики больше или равна её второй космической скорости – , то эта галактика будет постоянно удаляться, т.е. наблюдаемое расширение Вселенной в этом случае будет иметь неограниченный характер; при этом:
  Т.о. на ранних этапах расширения вещество Вселенной было очень плотным и горячим, по-этому существующее уже тогда излучение находилось в равновесии с веществом, но по ме-ре расширения температура вещества уменьшалась, значит, уменьшалась и температура теплового излучения, которая в настоящее время по закону смещения В.Вина, устанавлива-ющему зависимость длины волны – , на которой поток излучения энергии абсолютно чёр-ного тела достигает своего максимума, от температуры абсолютно чёрного тела – , т.е.
  Вильгельм Вин,
  Германия, 1864-1928
  ; должна понизиться до 3 К (-270 ºС) в соответствии с теорети-
  , где:
  – постоянная В.Вина, а:
  – скорость света;
  – постоянная М.Планка;
  – коэффициент Л.Больцмана,
  излучения, возникшего в момент возникновения Вселенной, с
  ческими выводами современной космологии. Модель горячей Вселенной получила эмпирическое подтверждение в 1965 г. после открытия реликтового излучения, т.е.
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  20 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Реликтовое излучение
  Если средняя плотность вещества во Вселенной больше критической плотности , то расширение Вселенной в дальнейшем должно смениться её сжатием, а при средней плотности вещества ( ) – расширение Вселенной не прекратится; но независимо от плотности вещества во Вселенной её гравитация с некоторой силой тормозит её же расши-рение
  Если же , то Вселенная характеризуется законами геометрии Н.И. Лобачевского, в соответствии с которыми сумма углов треугольника на любой гиперболической поверхнос-ти всегда будет меньше 180º
  Николай Иванович Лобачевский, 1792-1856
  С точки зрения геометрических свойств Вселенной очевидно, что при в ней дей-ствуют геометрические законы Б. Римана, в соответствии с которыми евклидова геометрия достоверно не учитывает все особенности сферических поверхностей, и поэтому на сфере сумма углов любого треугольника будет всегда больше 180º
  Бернхард Риман, Германия
  1826-1866
  И только при во Вселенной справедливы за-коны геометрии Евклида, в соответствии с которы-ми сумма углов любого треугольника на плоскости всегда равна 180º.
  Евклид, 325-265 до н.э.
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  21 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Реликтовое излучение
  В 1960 г. в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена ан-тенна для приема радиосигналов, отражён-ных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 г. для работы со спутником эта антенна была уже не нужна, и радиофизики Роберт Вудро Уилсон и Арно Элан Пензиас из лаборатории компании «Белл телефон» решили использо-вать её для радиоастрономических наблюде-ний. Антенна представляла собой 20-футо-вый рупор вместе с новейшим приёмным устройством, и в то время этот радиотелес-коп был самым чувствительным инструмен-том для измерения радиоволн. А. Пензиас и Р. Уилсон предполагали провести измерения радиоизлучения межзвёздной среды нашей Галактики на волне длиной 7,35 см и вообще не знали о теории горячей Вселенной и не планировали поиск реликтового излучения.
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  22 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Реликтовое излучение
  Восстановленная карта (панорама) анизотропии (однородности) реликтового излуче-ния с исключённым изображением Галактики, изображением радиоисточников и изображе-нием дипольной анизотропии. Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области (по данным спутника WMAP)
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  23 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Реликтовое излучение
  Если на панораму анизотропии микроволнового реликтового излучения наложить из-лучение Млечного Пути (красная горизонтальная область), то мелкозернистая структура распределения реликтового излучения указывает на неоднородности в распределении ве-щества в период формирования этого излучения; при этом из указанных неоднородностей в дальнейшем были образованы галактики и звёзды
  В результате наблюдений очевидно, что реликтовое излучение не связано ни с какими из-вестными небесными телами и их системами, оно равномерно заполняет видимую Вселен-ную, характеризуя горячее и сверхплотное состояние вещества в начале расширения Все-ленной; поэтому это излучение так и называется – реликтовым, т.е. оставшимся от началь-ных этапов эволюции Вселенной
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  24 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Метагалактика
  – это доступная для наблюдений любыми современными техническими средствами часть Вселенной, за пределами которой располагаются галактики, от которых свет не доходит к нам, т.к. они от нас как бы за горизонтом, и поэтому радиус метагалактики – называ-ется горизонтом видимости, который можно рассчитать по закону Э.Хаббла: ; т.к. скорость удаления галактик друг от друга не превышает скорости света, то:
  , т.к.
  Т.к. в метагалактике наблюдается около галактик, при этом в состав каждой входит
  звёзд, то принимая звёздные массы, близкими к солнечной массе: с учётом объёма сферы наблюдения: ; а масса вещества,
  содержащегося в метагалактике:
  наблюдаемая сред-
  няя плотность ве-
  щества Вселенной
  наблюдаемая средняя плотность вещества Вселенной примерно в 4 раза меньше критической плотности –
  Вселенная должна
  расширяться всегда
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  25 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Метагалактика
  – это изображение метагалактики в логарифмическом масштабе, где в центре находится Солнечная система, далее наша галактика – Млечный Путь, затем соседние и дальние га-лактики, крупномасштабная структура Вселенной и реликтовое излучение, по краю изоб-ражена невидимая плазма Большого взрыва
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  26 слайд

  Модель расширяющейся Вселенной
  Космологические модели Вселенной
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  27 слайд

  Эволюция расширяющейся Вселенной
  Космологические модели Вселенной
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  28 слайд

  Эволюция расширяющейся Вселенной
  Космологические модели Вселенной
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  29 слайд

  Эволюция расширяющейся Вселенной
  Космологические модели Вселенной
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  30 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Будущее расширяющейся Вселенной
  Возможные модели расширения Вселенной
  Сингулярность – это такое состояние Все-ленной в начальный мо-мент Большого взрыва, для которого характер-ны бесконечные плот-ность и очень высокая температура вещества Вселенной
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  31 слайд

  Похоже на Большой взрыв?
  Занимаем ли мы особое место?
  Космологические модели Вселенной
  Гипотеза о Большом взрыве
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  32 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Вселенная как совокупность расширяющихся
  сферических оболочек наблюдения
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  33 слайд

  Космологические модели Вселенной
  Основные термоядерные реакции в недрах звёзд
  Строение и эволюция Вселенной
  

• 

  34 слайд

  Спасибо за внимание
  Новых открытий, достижений и успехов вам на уроках физики и астрономии!
  Строение и эволюция Вселенной