Презентация на тему Космология

Здесь Вы можете изучить и скачать урок презентацию на тему Космология бесплатно. Доклад-презентация для класса на заданную тему содержит 89 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если презентация оказалась полезной для Вас - поделитесь ей с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Презентации» Астрономия» Презентация на тему Космология
500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500500

Скачать

Слайды и текст этой презентации
Слайд 1
Описание слайда:
Космология Наука о возникновении и развитии Вселенной

Слайд 2
Описание слайда:
2 лекция Космологические модели Закон Хаббла Красное смещение Ньютоновская космология Релятивистская космология Основы ОТО Фридмановские модели Наша Вселенная Обобщение космологических моделей

Слайд 3
Описание слайда:
Закон Хаббла (продолжение) Интерпретируя сдвиг длин волн как результат эффекта Допплера, скорость галактик пропорциональна этому сдвигу На самом деле это не эффект Допплера!!! Итак, скорость удаления галактики пропорцио-нальна расстоянию до неё Значит ли это, что вблизи нашей Галактики произошел гигантский взрыв?

Слайд 4
Описание слайда:

Слайд 5
Описание слайда:

Слайд 6
Описание слайда:

Слайд 7
Описание слайда:

Слайд 8
Описание слайда:
Закон Хаббла Итак, в случае линейной зависимости удаление всех тел не означает существования центра расширения Все тела удаляются от всех! Но когда-то тела были ближе... Может даже все галактики, вся Вселенная расширяется из одной точки...

Слайд 9
Описание слайда:
2 лекция Космологические модели Закон Хаббла Красное смещение Ньютоновская космология Релятивистская космология Основы ОТО Фридмановские модели Наша Вселенная Обобщение космологических моделей

Слайд 10
Описание слайда:
Красное смещение Сдвиг длины волны определяют как z = ( – 0) / 0, где 0 – длина волны, измеренная в лаборатории  – наблюдаемая длина волны Обычно ее называют красным смещением, так как Если z > 0, то  > 0 – линия сдвигается в сто-рону больших длин волн («красная» сторона) В космологии чаще всего z > 0

Слайд 11
Описание слайда:
Красное смещение Причины для изменения длины волны Эффект Допплера (взаимное движение источника и наблюдателя) Гравитационное смещение (различные гравитационные потенциалы источника и наблюдателя) Расширение пространства (фотон «расши-ряется», пока движется в пространстве) Старение фотонов (фотон «краснеет» из-за свойств пространства)

Слайд 12
Описание слайда:
Эффект Допплера Длина волны изменяется из-за того, что наблюдатель движется и изменяется проме-жуток времени между пучностями волны света Из-за изменения частоты меняется и регистрируемая длина волны При взаимном удалении источника и наблюдателя возникает красное смещение, при сближении – фиолетовое смещение

Слайд 13
Описание слайда:

Слайд 14
Описание слайда:

Слайд 15
Описание слайда:
Эффект Допплера Точная формула: v – модуль скорости относительного движения  - угол между направлением движения источника и линией наблюдения c – скорость света в вакууме Примерная формула при v << c

Слайд 16
Описание слайда:
Расширение пространства Длина волны изменяется, так как в течение свободного движения фотона пространство успело расшириться и «растянуть» фотон При расширении пространства возникает красное смещение, при сжатии – фиолетовое смещение

Слайд 17
Описание слайда:
Расширение пространства Интегральная формула: a – масштабный фактор (показывает, во сколько раз пространство расширилось по сравнению с определенным моментом) a2 соответсвует времени регистрации фотона, а a1 – времени излучения Дифференциальная формула: a = da/dt

Слайд 18
Описание слайда:
Красное смещение Так как красное смещение галактики складывается из действия обоих эффектов, то Причина закона Хаббла – расширение пространства, а разброс вокруг прямой даёт эффект Допплера, который вызывают случайные движения отдельных галактик относительно центра масс скопления галактик

Слайд 19
Описание слайда:
Суть постоянной Хаббла Размерность постоянной Хаббла – км/с/Мпк или просто 1/с Она показывает, насколько в относитель-ных единицах расширяется пространство в единицу времени Значит, величина, обратная постоянной Хаббла, приблизительно разна возрасту Вселенной

Слайд 20
Описание слайда:
Метагалактика Отсюда следует, что у Вселенной есть предел наблюдаемой области Наблюдаемую часть Вселенной называют Метагалактикой Расстояние до границы Метагалактики примерно RМ = c / H0 = 1.3·1026 м

Слайд 21
Описание слайда:
2 лекция Космологические модели Закон Хаббла Красное смещение Ньютоновская космология Релятивистская космология Основы ОТО Фридмановские модели Наша Вселенная Обобщение космологических моделей

Слайд 22
Описание слайда:
Космологические модели Космологической моделью называют математическую модель, описывающую усредненное распределение материи в пространстве и его эволюцию Модели делят на классы по теории, в рамках которой она построена: Ньютоновская космология – всемирный закон притяжения Релятивистская космология – ОТО

Слайд 23
Описание слайда:
Космологические модели Основные предположения, на которых основываются все космологические модели: Вселенная однородна и изотропна Законы физики одинаковы во всей Вселенной Применимость этих предположений следует из многих данных различных наблюдений

Слайд 24
Описание слайда:
Ньютоновская космология Рассмотрим «типичный» шар, равномерно заполненный материей. Пусть радиальные скорости частиц под-чиняются закону Хаббла (что неизбежно при наших предположениях): Пусть H>0 и не зависит от пространст-венных координат (только от времени)

Слайд 25
Описание слайда:
Ньютоновская космология Пусть в момент времени t0 координата частицы есть . Тогда эта координата меняется по закону (R(t) – масштабный фактор). Так как , то

Слайд 26
Описание слайда:
Ньютоновская космология Для определения зависимости R(t) и H(t) от времени, используем законы сохранения массы и полной механической энергии. Масса шара не меняется или, записывая по другому,

Слайд 27
Описание слайда:
Ньютоновская космология Закон сохранения механической энергии для элемента на краю шара: Кинетическая энергия Потенциальная энергия Полная энергия постоянна:

Слайд 28
Описание слайда:
Ньютоновская космология Запишем полную механическую энергию (постоянную) в виде . Тогда

Слайд 29
Описание слайда:
Ньютоновская космология Это уравнение вместе с начальными условиями полностью определяют R(t), т.е. все динамические свойства космологической модели. В уравнение (*) не входит размер шара материи, поэтому его можно применять для шара любого размера, как и для всей Вселенной, равномерно заполненной веществом.

Слайд 30
Описание слайда:
Ньютоновская космология Качественно можно оценить R(t) даже без интегрирования уравнения (*):

Слайд 31
Описание слайда:
Ньютоновская космология Если k<0, то полная механическая энергия положительна (кинетическая больше потенциальной) и данный элемент объёма будет вечно отдаляться от начала координат. Если k>0, то полная энергия отрицательна. Через какое-то время расширение затормозится и сменится сжатием (H<0) k=0 – пограничный случай:

Слайд 32
Описание слайда:
Ньютоновская космология Знак постоянной k и характер движения материи зависит от знака разности , где называют критической плотностью. Введём также обозначение

Слайд 33
Описание слайда:
Ньютоновская космология Если , то расширение шара остановится и сменится сжатием. Если , то расширение будет продолжаться вечно. Значение критической плотности (как и сама плотность) меняется со временем, но знак разности плотностей не меняется.

Слайд 34
Описание слайда:
Ньютоновская космология Решим уравнение эволюции (*) в случае, когда k = 0.

Слайд 35
Описание слайда:
Ньютоновская космология

Слайд 36
Описание слайда:
Ньютоновская космология

Слайд 37
Описание слайда:
Ньютоновская космология Классическая космология Ньютона применима лишь малым интервалам пространства и времени (локально) Качественно верно описывает эволюцию вселенной и ее зависимость от средней плотности Неприменима для описания всей вселенной, так как скорость взаимо-действия считается бесконечной

Слайд 38
Описание слайда:
2 лекция Космологические модели Закон Хаббла Красное смещение Ньютоновская космология Релятивистская космология Основы ОТО Фридмановские модели Наша Вселенная Обобщение космологических моделей

Слайд 39
Описание слайда:
Релятивистская космология Согласно экспериментальным данным, скорость света постоянна во всех системах отсчета. Это противоречит теории Ньютона, но верно в специальной теории относительности (СТО) Но в СТО не включено гравитационное взаимодействие. Теория, описывающая и его, учитывая конечность скорости взаимодействия, есть ОТО.

Слайд 40
Описание слайда:
История В 1916 году А. Эйнштейн создает общую теорию относительности (ОТО) Она рассматривает объекты, которые движутся с большими скоростями в сильных гравитационных полях Он (и другие) ищут решения ОТО для описания эволюции Вселенной Вселенную представляют однородной и изотропной (космологический принцип)

Слайд 41
Описание слайда:
История В 1917 году А. Эйнштейн создает модель стационарной вселенной, дополняя урав-нения гравитационного поля «-членом» В 1917 году В. де Ситтер находит реше-ние для динамической пустой вселенной Закон Хаббла (1929 г.) соответствует ожиданиям ОТО и соответствует случаю расширения Вселенной

Слайд 42
Описание слайда:
История

Слайд 43
Описание слайда:
История В 1922 году А.А. Фридман и, независимо от него, в 1927 году Г.Е. Леметр развили далее модель нестационарной вселенной, учитывая массу, гравитацию и кривизну пространства Согласно этой теории вселенная расширя-ется из начальной пространственно-вре-менной сингулярности до современного состояния и дальше

Слайд 44
Описание слайда:
История

Слайд 45
Описание слайда:
2 лекция Космологические модели Закон Хаббла Красное смещение Ньютоновская космология Релятивистская космология Основы ОТО Фридмановские модели Наша Вселенная Обобщение космологических моделей

Слайд 46
Описание слайда:
Основные понятия Основные понятия ньютоновской теории гравитации Однородное и изотропное пространство, в котором происходит движение Однородное время как параметр движения Движущаяся масса Гравитационное взаимодействие, моментально действующее по закону

Слайд 47
Описание слайда:
Основные понятия Основные понятия СТО Пространство-время Минковского Инерциальная система отсчета (ИСО) Скорость света c, с которой распространяются взаимодействия Что отсутствует в этой теории Гравитационное поле

Слайд 48
Описание слайда:
Основные понятия ОТО Локально-инерциальная система отсчета (ЛИСО), которая вводится из-за невозможности построения единой глобальной ИСО в пространстве с гравитационным полем. В СТО ускорение тела может быть скомпенсировано ускорением система отсчета. В ОТО это невозможно.

Слайд 49
Описание слайда:
Основные понятия ОТО Пространство-время Римана – кривое 4-х мерное пространство (т.е. элемент интервала ds нельзя глобально преобразовать в форму Минковского) Геометрические свойства (кривизну) определяет движение и распределение массы. Но и само движение определя-ется кривизной пространства.

Слайд 50
Описание слайда:
Основные понятия ОТО Кривые 4-х мерные пространства У сферы положительная кривизна У «седла» отрицательная кривизна

Слайд 51
Описание слайда:

Слайд 52
Описание слайда:
Основные понятия ОТО Согласно ОТО, гравитационное поле проявляется в кривизне пространства. Чем больше отличие от плоского пространства, тем сильнее поле. Уравнения гравитационного поля ОТО – система десяти нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка

Слайд 53
Описание слайда:
Уравнения Эйнштейна Кривизну с распределением массы связывают уравнения Эйнштейна Rik и R=gikRik характеризуют кривизну gik – метрический тензор Tik характеризует распределение и движение материи  – постоянная Эйнштейна

Слайд 54
Описание слайда:
Тензор энергии-импульса Рассмотрим вид тензора энергии-импульса Tik в наиболее частых случаях Компонента T00 равна плотности энергии вещества  = c2 Компоненты Tii (i = 1, 2, 3) равны давлению вещества p Недиагональные члены в ЛИСО – нули

Слайд 55
Описание слайда:
Тензор энергии-импульса Тензор энергии-импульса для пыли: Пыль определена как среда с низкой темпе-ратурой (т.е. тепловые скорости движения много меньше скорости света с) Отсюда давление пыли равно нулю и единственная ненулевая компонента тензора Tik есть

Слайд 56
Описание слайда:
Тензор энергии-импульса Тензор энергии-импульса для ультра-релятивистских частиц: Их 4-импульс равен Тогда , где  - плотность энергии И

Слайд 57
Описание слайда:
Тензор энергии-импульса Открытый вид тензора энергии-импульса для ультра-релятивистского вещества (в его системе отсчета): Для излучения (фотонов) Tik такой же!

Слайд 58
Описание слайда:
Уравнение состояния Давление с плотностью вещества связано уравнением вещества, общий вид которого p = c2 Из вида тензора Tik следует, что для пыли  = 0, а для ультра-релятивистского вещества и излучения  = 1/3

Слайд 59
Описание слайда:
2 лекция Космологические модели Закон Хаббла Красное смещение Ньютоновская космология Релятивистская космология Основы ОТО Фридмановские модели Наша Вселенная Обобщение космологических моделей

Слайд 60
Описание слайда:
Фридмановские модели Основные приближения Пространство однородно и изотропно Описание системы происходит в ЛИСО Тогда уравнения Эйнштейна сводятся к

Слайд 61
Описание слайда:
Фридмановские модели Основные приближения Пространство однородно и изотропно Материя есть «пыль» Тогда уравнения Эйнштейна сводятся к

Слайд 62
Описание слайда:
Фридмановские модели Эти уравнения не независимы, и второе из них эквивалентно уравнению (*), если на место T00 подставить его значение c2

Слайд 63
Описание слайда:
Фридмановские модели Хотя уравнения математически иден-тичны, они описывают разную «физику»

Слайд 64
Описание слайда:
Фридмановские модели Но так как уравнения идентичны, то и решения тоже одинаковы!

Слайд 65
Описание слайда:
Эволюция Вселенной Эволюция зависит от одного параметра – параметра плотности . Если  < 1, то вселенная вечно расширя-ется. Пространство открыто. Если  > 1, то вселенная после стадии расширения начинает сжиматься обратно. Пространство замкнуто. Если  = 1, то пограничный случай – пространство плоское

Слайд 66
Описание слайда:
Эволюция Вселенной

Слайд 67
Описание слайда:
Эволюция Вселенной Постоянная Хаббла – мера скорости изменения масштаба Вселенной а: Со временем она меняется! При наблюдении объекта рассчитанная постоянная Хаббла зависит от эволюции вселенной во все моменты между излучением и регистрацией фотона

Слайд 68
Описание слайда:
2 лекция Космологические модели Закон Хаббла Красное смещение Ньютоновская космология Релятивистская космология Основы ОТО Фридмановские модели Наша Вселенная Обобщение космологических моделей

Слайд 69
Описание слайда:
Наша Вселенная Мы рассмотрели общую схему эволюции вселенной, заполненной пылевидной материей Возникает закономерный интерес – годится ли разработанная теория для описания нашей Вселенной И если годится, то каковы реальные значения параметров модели?

Слайд 70
Описание слайда:
Наша Вселенная Преобразуем уравнение Фридмана (УФ), учитывая форму Tik (Tik). Итак, Оно показывает, что эволюция зависит от уравнения состояния p = c2

Слайд 71
Описание слайда:
Наша Вселенная Во Вселенной одновременно есть типы материи с разными значениями  Последние данные (WMAP, февраль 2003 года) убедительно показывают, что около 2/3 от общей энергии занимает т.н. тёмная энергия Попробуем понять, что же это такое!

Слайд 72
Описание слайда:
 - член Исторически первая модель вселенной Эйнштейна (1917 г.) была по построению статичной. Однако, как мы видели, уравнения Эйнштейна не допускают такое решение Чтобы решить это противоречие, Эйнштейн добавил в уравнения дополни-тельный скалярный член (т.н. -член)

Слайд 73
Описание слайда:
 - член Уравнения Эйнштейна: Уравнения, дополненные -членом

Слайд 74
Описание слайда:
 - член Найдём эффективное уравнение состоя-ния -члена. Для этого представим себе, что материи вообще нет. Тогда Эффективный тензор энергии-импульса в ЛИСО есть

Слайд 75
Описание слайда:
 - член Сравнивая с общим видом тензора энергии импульса в ЛИСО, т.е. видим, что для -члена  = – 1. Значит, если плотность энергии -члена доминирует, то Вселенная расширяется ускоренно!

Слайд 76
Описание слайда:
 - член Действительно, из уравнения Фридмана: Если  = – 1 (т.е. всю плотность энергии составляет -член), то d2a/dt2 положите-лен и расширение происходит ускоренно. Причина – сильное отрицательное «давление»

Слайд 77
Описание слайда:
Наша Вселенная Итак, обычное вещество с   0 способствует сжатию Вселенной, а -член – ее расширению. Так как в нашей Вселенной доминирует -член, то она будет расширятся вечно и ускоренно. Пока на ясна физическая причина существования ненулевого -члена. К примеру, это могла бы быть энергия вакуумных нулевых флуктуаций...

Слайд 78
Описание слайда:
2 лекция Космологические модели Закон Хаббла Красное смещение Ньютоновская космология Релятивистская космология Основы ОТО Фридмановские модели Наша Вселенная Обобщение космологических моделей

Слайд 79
Описание слайда:
Модель эволюции Вселенной Обобщим закономерности, выведенные на этой лекции Выведем зависимости характеристик вещества от времени для Пыли Ультра-релятивистского вещества и излучения Космологической постоянной

Слайд 80
Описание слайда:
Состояния вещества Пыль: Плотность энергии  Давление p = 0,  = 0 Ультра-релятивистское вещество и излучение: Плотность энергии  = c2 Давление p = 1/3 ,  = 1/3 Космологическая постоянная : Плотность энергии  =  Давление p = -,  = -1

Слайд 81
Описание слайда:
Плотность энергии Уравнение, описывающее зависимость плотности энергии  от масштабного фактора a:

Слайд 82
Описание слайда:
Плотность энергии

Слайд 83
Описание слайда:
Масштабный фактор Уравнение Фридмана описывает зависи-мость масштабного фактора от времени:

Слайд 84
Описание слайда:
Масштабный фактор Если   -1, то Если  = -1, то

Слайд 85
Описание слайда:
Постоянная Хаббла Если a(t) – степенная функция, то посто-янная Хаббла обратно пропорциональна времени Если a(t) – экспонента, то постоянная Хаббла не зависит от времени

Слайд 86
Описание слайда:
Температура Зависимость температуры излучения от а есть , так как плотность энергии излучения есть Зависимость температуры пыли от времени не так проста, так как на нее влияют эффекты выделения внутренней энергии (притяжение, ядерные и химические реакции и др.)

Слайд 87
Описание слайда:
Параметры вещества

Слайд 88
Описание слайда:
Выводы Узнали главные экспериментальные факты внегалактической астрономии Ознакомились с некоторыми моделями эволюции Вселенной на основе теории Ньютона и ОТО На следующей лекции проследим эволюцию Вселенной с точки зрения теории Большого Взрыва

Слайд 89
Описание слайда:
Спасибо за внимание!


Скачать урок презентацию на тему Космология можно ниже:

Похожие презентации