Таким образом, если вы знаете излучательную способность (т.е. светимость) наблюдаемого объекта и измеряете световой поток, вы можете рассчитать расстояние до этого объекта:
Что такое космология?
Космология изучает происхождение и процесс развития и эволюции Вселенной. Другими словами, эта наука (астрофизика, астрономия, геология, физика и климатология) прослеживает эволюцию космоса с момента Большого взрыва и даже пытается моделировать будущее.
Космологи имеют дело с довольно экзотическими и необычными понятиями. Темы космологии включают темную материю и темную энергию, теорию струн и количество вселенных. В то время как другие области астрономии изучают конкретные явления, современная космология Вселенной пытается охватить всю картину в целом.
Учебный материал по космологии
Основы и теории космологии не возникли из ниоткуда. Конечно, с развитием человечества развивается и наше понимание космоса. Первоначально Земля считалась центром и началом всего сущего, в то время как другие объекты были либо фиксированы в своем положении, либо вращались вокруг нее. Все изменилось с приходом Николая Коперника в 16 веке, который сформулировал гелиоцентрическую систему и объяснил, что мы являемся лишь частью большой Вселенной и находимся далеко не в центре. Но он был не единственным ученым, которого увлекла космология.
В 17 веке Исаак Ньютон заинтересовался силами, действующими между планетами, и изобрел гравитацию. В 20 веке Альберт Эйнштейн потряс всех своей общей теорией относительности. В 1900-х годах люди задавались вопросом о размерах Вселенной. Так все ли ограничивается Млечным Путем, или есть что-то дальше?
Карта наблюдаемой Вселенной
Новый шаг сделал Эдвин Хаббл: он рассмотрел далекую туманность и обнаружил, что она находится за пределами Млечного Пути! Он также обнаружил, что эти объекты ведут себя как галактики, удаляющиеся от нас, что означает, что пространство не статично, а расширяется (расширяющаяся Вселенная).
Популярный ныне физик-теоретик Стивен Хокинг считает, что у Вселенной есть конец и, следовательно, размер. Однако мы никогда не узнаем его пределов. Она похожа на нашу планету: Вы можете вращать его по кругу, но всегда возвращаетесь к началу. Более того, Хокинг считает, что расширение будет продолжаться вечно, пока не закончится.
Если другие галактики отходят от нас, то не стоим ли мы в центре Вселенной?
Нет. Если вы находитесь в другой галактике, вы обнаружите, что остальные уже улетели оттуда. Наша Вселенная похожа на воздушный шар. Надуйте его и надуйте. Ни одна из точек не будет находиться в центре, все они будут расширяться.
Некоторые считают, что концентрические кольца излучения указывают на существование Вселенной до Большого взрыва
Исторический обзор
Космология — очень древний предмет. История космологии насчитывает тысячи лет. В частности, древние греки уже давно знали о космологии.
Только в середине девятнадцатого века Эдвин Хаббл открыл закон расширения Вселенной.
Если говорить о космологии как о науке, то это достаточно новая область знаний. Современная космология начинается с открытия микроволнового фонового излучения и формулировки теории Большого взрыва. И это произошло только в 1960-х годах.
До этого времени космология не являлась отраслью физики, а относилась к естественным наукам. То есть в космологии доминировал феноменологический подход: наблюдение, измерение, классификация, регистрация и т.д.
В то время точность измерений была низкой. Поэтому невозможно было предоставить точные данные. Уравнения были, но они были неправильными и неточными. Физики всегда принимали в этом участие, поскольку звезды, галактики и другие небесные тела обладают физическими свойствами, такими как угловой момент. Физические химики также были вовлечены в процесс, поскольку небесные тела имеют химический состав.
Однако рассмотрение самой Вселенной как физического объекта, Вселенной как системы, которую можно изучать математически с помощью набора физических принципов и соответствующих точных, правильных уравнений, является относительно новым подходом.
Свойства Вселенной
В этих лекциях Вселенная будет рассматриваться как физическая система. И мы будем изучать его с помощью уравнений. Мы можем начать изучение Вселенной с некоторых общих наблюдений.
Изотропия
Итак, первое наблюдение, которое в целом может быть не совсем точным, как и вся физика не совсем точна, заключается в том, что Вселенная изотропна.
Изотропия означает, что Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях. Конечно, это справедливо только для достаточно больших расстояний. Если смотреть очень внимательно, изотропия может быть не наблюдаема из-за локальных неоднородностей, таких как форма нашей галактики.
Однородность
Если Вселенная изотропна, мы можем с большой уверенностью сказать, что она также должна быть однородной. Однородность означает равномерность не во всех направлениях, а во всех местах. То есть, в целом, Вселенная выглядит одинаково независимо от того, находится ли наблюдатель в нашей галактике или в другой галактике, находящейся далеко-далеко от нас.
Галактики
Галактики в масштабах Вселенной — это, по сути, точки концентрации массы. Мы можем рассматривать их как материальные точки. Приблизительное количество галактик в видимой части Вселенной составляет сто миллиардов. Каждая галактика, в свою очередь, содержит около ста миллиардов звезд. Мы должны помнить, что это количество галактик находится только в пределах видимой нами сферы. Только до тех пор, пока астрономы могут видеть в свои телескопы. То есть, самая дальняя точка, которую мы можем видеть, находится на расстоянии, с которого свет успел дойти до нас за все время существования Вселенной: около 13 миллиардов лет.
Интересный факт. Общее количество звезд в видимой части Вселенной, и если на каждую звезду приходится в среднем 10 планет, мы получаем число Авогадро планет во Вселенной. Планетарная молекула материи! (лектор смеется)
Аргумент против однородности Вселенной. Опровержение
Подумайте о том, в какой части Вселенной мы находимся. Мы знаем это наверняка, потому что видим, что Вселенная изотропна. Мы предполагаем, что Вселенная также однородна. Но что было бы, если бы Вселенная не была однородной?
Если Вселенная изотропна, то единственный способ, которым она не могла бы быть однородной, — это если бы она имела структуру в виде некой оболочки.
Гипотеза неоднородной Вселенной. Слева — изотропная однородная вселенная, справа — изотропная неоднородная вселенная. Крест в центре представляет нас.
Если бы это было так, Вселенная не выглядела бы изотропной ни в одной другой точке. Это означает, что если мы не хотим верить в то, что мы каким-то образом находимся точно в центре Вселенной и что вся Вселенная имеет сферическую симметрию вокруг нас, то мы должны признать, что Вселенная не только изотропна, но и однородна.
Космологический принцип
Поэтому, если мы не верим, что находимся в центре Вселенной, Вселенная должна быть однородной. Однородная Вселенная означает, что Вселенная равномерно заполнена частицами (галактиками) по всему своему объему. Это называется космологическим принципом. Космологический принцип действителен, потому что наши наблюдения естественным образом указывают на него с некоторой степенью приближения.
Постановка физической задачи
Существует однородный газ галактических частиц. И каждая галактика взаимодействует с другими галактиками. Галактики в целом электрически нейтральны. Но они не являются гравитационно нейтральными. Они взаимодействуют посредством ньютоновской гравитации. И это единственная значительная сила в больших масштабах. Гравитация действует на галактики и пытается стянуть их все вместе.
Поэтому, если вы посмотрите на любую точку во Вселенной и спросите себя, куда она должна двигаться, вы можете думать, что она окружена со всех сторон одинаковым количеством массы. Если следовать этой логике, можно предположить, что ни одна галактика не движется и что Вселенная статична, потому что силы, действующие на любую точку Вселенной, равны нулю. Это совершенно неправильно!
И теперь у нас есть уравнения движения Ньютона для Вселенной. Возможно, вы слышали, что расширяющаяся Вселенная хорошо согласуется с общей относительностью Эйнштейна и что закон расширяющейся Вселенной был непонятен до появления общей относительности. Это просто неправда. Возможно, так и было в прошлом. Но это всего лишь исторический факт о данных, а не логика. Ньютон мог бы вывести уравнения для расширяющейся Вселенной. И теперь мы собираемся сделать это так, как должен был сделать Ньютон.
Вселенная Фридмана
Фридман предположил, что Вселенная выглядит совершенно одинаково во всех направлениях и что это состояние характерно для всех ее точек. Исходя из этого и с учетом общей теории относительности, ученый дал понять, что мы не должны ожидать, что Вселенная будет постоянной.
Когда вы смотрите на небо, вы видите яркую полоску света — Млечный Путь. Если направить свой взгляд на более удаленные системы галактик, то можно увидеть, что количество галактик в разных частях космического пространства примерно одинаково. Исходя из этого, можно говорить об относительной однородности Вселенной.
Модель Вселенной Фридмана была одной из самых успешных. Это также согласуется с наблюдениями Хаббла. Однако в западных странах он стал известен только в 1935 году, после того, как аналогичные модели были разработаны Говардом Робертсоном и Артуром Уокером. Хотя во вселенной Фридмана существовала только одна модель, на ее основе можно было построить три другие:
- расширение Вселенной по Фридману настолько медленное, что силы притяжения между галактическими пространствами еще сильнее замедляют его, а со временем вообще останавливают. После этого галактики устремляются навстречу друг к другу, то есть запускается процесс сжатия космического пространства.Расширяющая Вселенная Фридмана достигает определенного максимума, а потом начинает снова возвращаться в начальную точку;
- вторая космологическая модель Вселенной Фридмана гласит, что расширение космического пространства происходит с незначительной скоростью. Ее хватает лишь для того, чтобы не начался обратный процесс сжатия. В данном предположении расширение начинается с начальной точки, но при этом оно всегда растет. Скорость процесса замедляется, но никогда не останавливается;
- расширение космического пространства происходит с огромной скоростью. Она настолько велика, что гравитационные силы никогда не смогут остановить данный процесс, разве что только слегка замедлить его. Разделение галактик начинается также с определенного нулевого расстояния.
Источник
Анализ вышесказанного приводит к выводу, что модель Фридмана утверждает, что не Вселенная бесконечно велика, а само пространство бесконечно велико. В результате действия мощных гравитационных сил пространство искривляется и сужается, то есть напоминает шарообразную форму земного шара. Если человек путешествует в одном направлении по поверхности планеты, он никогда не встретит препятствия, которое не сможет преодолеть, и никогда не «упадет с края земли». Рано или поздно он вернется в ту точку, откуда началось его путешествие. Примерно такое же пространство представлено в модели нестабильной Вселенной Фридмана.
«Красное смещение» и закон Хаббла
Одно из самых важных научных открытий Хаббла — природа синих и красных гравитационных смещений. Они позволяют ученым определить, движется ли конкретное космическое тело к нам или от нас.
Источник
В 1929 году Эдвин Хаббл измерил спектральные свойства галактических систем Гершеля с помощью 100-дюймового телескопа и обнаружил интересный факт. С одной стороны, галактики имели много общего с Млечным Путем, за исключением того, что спектры их самых ярких звезд сильно отличались от спектров звезд Млечного Пути. Все они смещены в сторону более длинноволновой части спектра, т.е. в красную сторону. Хаббл назвал это явление эффектом красного смещения. Ученый заметил, что красное смещение звезд в пределах одного галактического пространства было практически одинаковым, но для других галактик наблюдались значительные различия.
Он распознал закономерность:
Проще говоря, чем более удалена наблюдаемая галактика, тем сильнее эффект красного смещения. Так родился закон Хаббла, представленный формулой:
Постоянная Хаббла — это коэффициент, который является частью закона Хаббла и используется для связи расстояния до определенной галактической системы или квазара с его скоростью удаления. Постоянная Хаббла регулярно меняется со временем, причем слово «постоянная» означает, что значение H одинаково во всех точках Вселенной в любой момент времени. Изменения связаны с использованием различных методов расчета и изобретением более нового исследовательского оборудования. В настоящее время значение константы составляет 70,1 (км/с)/Мпк.
Используя закон Хаббла, ученые смогли рассчитать теоретический возраст Вселенной. Для этого они рассчитали величину красного смещения для самых удаленных объектов во Вселенной, предполагая, что в начале все было сжато в одну точку. Интересно, что хаббловский возраст Вселенной почти совпадает с возрастом, рассчитанным по космологической модели Фридмана — 13,8 миллиарда лет.
Эффект красного смещения во Вселенной обусловлен ее непрерывным расширением. Представьте, что когда человек стоит неподвижно в определенном месте, звук пролетающего над головой самолета постепенно становится слабее и меняет свой тон с увеличением расстояния.
То же самое происходит и с красным смещением, но масштаб гораздо больше. Чем дальше самолет находится от наблюдателя, тем более выражено изменение частоты излучаемого им света. При наблюдении красное смещение — это смещение спектральных линий звездного излучения в красную область спектра.
В космологии также существует понятие синего смещения, которое является полной противоположностью красного смещения. Смещение спектральных линий в синюю область указывает на то, что галактика движется к нам с определенной скоростью.
Что такое Большой Взрыв
Происхождение Вселенной — одна из величайших загадок человечества сегодня. Ученые постоянно ищут и пытаются понять, что находится за пределами нашего мира. Технологический прогресс дал ответы на многие вопросы, но о происхождении Вселенной известно немного. В ходе развития космологии было выдвинуто множество теорий. Некоторые из них были сразу же опровергнуты, в то время как другие имели определенную правду и логику.
Одна из теорий, которая имеет свой смысл существования, — это теория Большого взрыва. Этот термин был введен Ф. Хойлом в 1949 году. До Большого взрыва все, что существует во Вселенной сегодня, находилось в совершенно ином состоянии — сосредоточенном в одном месте, — а после Большого взрыва последовало несколько этапов развития, в ходе которых пространство заполнялось различными частицами, элементами, объектами и структурами.
Источник
Как же развивалась Вселенная после теории Большого взрыва?
- Эпоха сингулярности – считается, что до того, как Вселенная стала такой, какой ее знает человечество, вещество в ней имело практически бесконечные величины плотности и температуры, но при этом само оно стремилось к нулю. Это сложнейший вопрос современной космологии, так как выяснить, что же было до момента Большого Взрыва практически невозможно. В теории у одного вещества не может одновременно быть бесконечная плотность и бесконечная температура. Именно поэтому, сингулярность Вселенной не соответствует физическим законам. Некоторые ученые предполагали, что сингулярности вообще никогда не было. Другие отмечали, что Вселенная образовалась из абсолютного вакуума, то есть из «ничего» за счет колебаний системы. Бытовало также мнение, что благодаря Большому взрыву возникла «Метагалактика», которая представляла собой своеобразный пузырь в веществе более высокой плотности.
- Планковая эпоха – после того как произошла масштабная космическая катастрофа, первичное вещество начало расширяться и охлаждаться. Причем, чтобы сформировались различные структуры в пространстве, одновременный взрыв должен был быть во всех местах. В период от 0 до 10 -43 секунды параметры температуры, плотности и энергии вещества соответствовали постоянным Планка (6,626 070 15⋅10⁻³⁴ Дж/с). Произошло зарождение частиц, что стало началом эволюции Вселенной.
- Эпоха великого объединения длилась в период с 10 -43 до 10 -35 секунды. За это время начинают образоваться гравитационные силы, которые в дальнейшем способствовали формированию звезд и планет. Первичная материя уже не однородно плотная, но говорить о каких-либо физико-химических параметрах еще слишком рано.
- Эпоха инфляции – ее период с 10 -35 до 10 -32 секунды после Большого Взрыва. Для нее характерно ускоренное расширение Вселенной. Это привело к перераспределению первичного вещества.
- Электрослабая эпоха – заняла промежуток с 10 -32 до 10 -12 секунды. Зарождаются элементарные частицы – хиггсовский бозон, Z-, W-частички. Довселенское вещество в своем первоначальном виде перестает существовать.
- Кварковая эпоха – с 10 -12 до 10 -6 секунды. Вещество во Вселенной начинает представлять собой совокупность безмассовых и бесструктурных фундаментальных частичек. В этой эпохе четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) уже существуют по отдельности.
- Андронная эпоха – из элементарных частичек формируются андроны – это частицы, у которых есть сильное ядерное взаимодействие. С них сформировались нуклоны, которые в свою очередь образуют атомные ядра, нейтроны и протоны. Данная эпоха длилась не более 100 секунд после Взрыва.
- Лептонная эпоха – ее протяженность 3 минуты. За время данного этапа эволюции Вселенной сформировались лептоны и их подвид – нейтрино, которые также играют одну из важнейших ролей в последующем мироздании.
- Протонная эпоха — длилась 300 тыс. лет. За это время вещество перераспределяется. Оно занимает доминирующую позицию над излучением, что приводит к уменьшению скорости расширения Вселенной. В конце периода происходит передвижение тепловых фотонов.
- Темные века – продолжительность 500 млн. лет. По всему пространству Вселенной распространяется водородно-гелиевая масса и реликтовое тепловое излучение. Еще нет ни одного знакомого человечеству космического объекта.
- Реионизация – эпоха длилась 300 млн. лет. В результате гравитационных сил водород и гелий начинают сжиматься, зарождаются процессы термоядерного синтеза. Образовались самые первые звезды. Они начали формировать скопления – галактики. В центральной части таких галактических пространств возникали квазары – мощнейшие источники излучения и гравитации.
- Эра вещества – это один из самых интересных этапов в процессе эволюции Вселенной. Звезды начинают вокруг себя формировать протопланетные диски, что привело к образованию планетных систем. В этот период возникает и наша Солнечная система со всеми планетами.
Основы современной космологии
На прошлом уроке мы говорили о том, что во Вселенной существует огромное количество галактик. Но что такое Вселенная? Этот вопрос волновал не одно поколение людей. Существующие представления об устройстве мира на каждом этапе развития человеческой цивилизации можно рассматривать как космологические теории той эпохи. На этом уроке мы поговорим о развитии космологических взглядов на строение мира. Мы также рассмотрим современные теории о происхождении и эволюции Вселенной.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам необходимо добавить его в свой личный кабинет.
2. Распространите видеоуроки в своих личных кабинетах среди учеников.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Конспект урока «Основы современной космологии»
Что такое Вселенная? Этот вопрос занимал не одно поколение людей. Фактически, существовавшие на каждом этапе развития человеческой цивилизации представления об устройстве мира можно считать космологическими теориями той эпохи.
Космология — это отрасль астрономии, которая занимается изучением свойств, структуры и эволюции Вселенной в целом. Эта отрасль опирается на математику, физику, астрономию и философию.
А Вселенная определяется как совокупность наблюдаемых галактик всех типов и их скоплений, а также межгалактическая среда.
Ранние формы космологии представляли собой религиозные мифы о сотворении и разрушении существующего мира. А первой научно зафиксированной космологической моделью Вселенной была геоцентрическая система Аристотеля и Птолемея. Считалось, что мир ограничен сферой из неподвижных звезд, за которой ничего нет.
В 1440 году Николай Кесарийский опубликовал свой трактат «О невежестве ученых» с революционной новой космологической моделью мира. В частности, Кузанский предположил, что Земля является одной из планет. Все небесные тела обитаемы, и каждый наблюдатель во Вселенной также может считаться неподвижным. В то же время он считал, что Вселенная бесконечна, хотя и имеет конечные размеры, потому что «бесконечность присуща только Богу».
Примерно через 200 лет появилась новая космологическая модель — гелиоцентрическая система Николая Коперника. Коперник поместил Солнце в центр мира, вокруг которого вращаются планеты (включая Землю). Коперник по-прежнему считал, что Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд.
Разновидностью системы Коперника была система Томаса Диггеса, в которой звезды находятся не на одной сфере, а на разных расстояниях от Земли до бесконечности.
Итальянский философ Джордано Бруно сделал решительный шаг от гелиоцентризма в сторону бесконечной Вселенной, равномерно заполненной звездами. В частности, он первым предположил, что звезды — это далекие солнца и что законы физики одинаковы в бесконечном и безграничном пространстве.
Возникновение современной космологии связано с развитием общей теории относительности Эйнштейна и физики элементарных частиц в начале 20-го века. Интересно, однако, что сам Эйнштейн считал, что Вселенная однородна, изотропна и, прежде всего, стабильна. Даже обнаружив, что объекты во Вселенной постоянно меняются, Эйнштейн считал, что это никак не влияет на формирование Вселенной.
Эта мысль была настолько очевидна для великого ученого, что он ввел в фундаментальное уравнение ГТР космологическую постоянную (иногда называемую лямбда). Это было сделано для того, чтобы решения уравнения учитывали пространственную однородность и статическую природу Вселенной.
Однако в 1922 году выдающийся российский математик Александр Александрович Фридман предложил неконстантное решение уравнения Эйнштейна. Его анализ показал, что решение не может быть уникальным ни при каких обстоятельствах. Это означало, что невозможно точно ответить на вопрос, какую форму имеет Вселенная, каков радиус ее кривизны и является ли она в целом стабильной.
Однако из расчетов Фридмана вытекали три возможных следствия, которые мы попытаемся объяснить, используя только знакомые понятия теории гравитации Ньютона. Итак, предположим, что распределение материи во Вселенной действительно однородно. Тогда галактика на поверхности сферы любого радиуса будет притягиваться к ее центру в соответствии с законом всемирного тяготения:
Презентация по астрономии на тему «Основы современной космологии» 11 класс
В настоящее время 54 281 учебное заведение предлагает дополнительные накопительные скидки (от 2% до 25%). Чтобы узнать, какая скидка распространяется на всех сотрудников вашего учреждения, войдите в личный кабинет Инфорурок.
Курсы повышения квалификации
Индивидуализация образования. Сопровождение индивидуального развития ребенка-дошкольника в вариативной образовательной среде
К этой скидке мы можем добавить скидку для вашего учебного заведения (в зависимости от того, сколько ваших коллег прошли курсы «Инфоурок»).
В настоящее время 54 281 учебное заведение предлагает дополнительные накопительные скидки (от 2% до 25%). Чтобы узнать, какая скидка распространяется на всех сотрудников вашего учреждения, войдите в личный кабинет Инфорурок.
Курсы повышения квалификации
Основы сметного дела в строительстве
К этой скидке мы можем добавить скидку для вашего учебного заведения (в зависимости от того, сколько ваших коллег прошли курсы «Инфоурок»).
В настоящее время 54 281 учебное заведение предлагает дополнительные накопительные скидки (от 2% до 25%). Чтобы узнать, какая скидка распространяется на всех сотрудников вашего учреждения, войдите в личный кабинет Инфорурок.
