Урок 49. Рождение Вселенной
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 49. Рождение Вселенной

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

- С чего все началось?

- Стационарна ли Вселенная?

- Какие наблюдения подтверждают теорию большого взрыва?

Глоссарий по теме:

Космология – наука, изучающая происхождение и эволюцию Вселенной как единого целого.

Красное смещение – сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону.

Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — космологический закон, описывающий расширение Вселенной и связывающий скорость взаимного удаления галактик с расстоянием между ними.

Большой взрыв - общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной.

Реликтовое излучение (лат. relictum — остаток) — тепловое излучение, равномерно заполняющее Вселенную.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. : с 222 – 224.
Капица П. Л. Эксперимент, Теория, Практика. – М.: 1991. - с.50-65.
Хокинг Краткая история времени. От Большого взрыва до чёрных дыр. –М.: АСТ, 2017: с.49 – 68, 139 – 170.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Научный взгляд на рождение и развитие Вселенной URL: https://metaisskra.com/blog/nauchnyj-vzglyad-na-rozhdenie-i-razvitie-vselennoj/
10 фактов о теории Большого взрыва https://ru.ihodl.com/technologies/2016-05-14/10-faktov-o-teorii-bolshogo-vzryva/
Эволюция нашей Вселенной URL: http://lfly.ru/evolyutsiya-nashej-vselennoj.html
Карта Вселенной URL: http://www.wikisky.org/
Космос-Онлайн. Просмотр в реальном времени URL:https://cosmos-online.ru

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Как Вы уже знаете, в структуру Вселенной входят туманности, галактики, звезды, планеты и их спутники. В нашей галактике «Млечный путь» от 200 до 400 миллиардов звезд, а во Вселенной существует миллиарды таких галактик. Когда мы смотрим на самую дальнюю из видимых звезд, мы смотрим примерно на 4 миллиарда лет в прошлое.

В 1929 году, исследуя взаимозависимость между разделяющими галактиками расстояниями и их относительными скоростями, американский астроном Эдвин Хаббл на уровне статистической закономерности смог установить численное соотношение, связывающее скорость взаимного удаления галактик с расстоянием между ними. Эта закономерность получила название закон Хаббла: скорость относительного удаления галактик (v) пропорциональна расстоянию между ними (r), т.е. v = Hr, где Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла. По уточненным на 2010 г. данным Н ≈ 70, 4 (км/с) / Мпк, т.е. две галактики, разделённые расстоянием в 1 Мпк ≈ 3∙1019 км, в среднем удаляются примерно со скоростью 70,4 км/с.

Основой для понимания закона Хаббла является эффект Доплера, описывающий изменение длины волны света движущегося объекта (в данном случае звезды и галактики) по отношения к наблюдателю. Суть этого эффекта состоит в следующем: когда происходит сближение источника света и наблюдателя, изменение частоты и соответственно длины волны света движущегося объекта в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда источник света и наблюдатель отдаляются друг от друга — спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение). Изучая спектры галактик, Хаббл обнаружил, что линии поглощения в этих спектрах существенно смещены по длине волны в красную сторону. Это позволило ученому сделать вывод о том, что почти все галактики удаляются от нас, а разбегание галактик может быть объяснено расширением всей Вселенной. Таким образом, в 1929 году Хаббл впервые установил нестационарность Вселенной.

Концепцию нестационарности Вселенной предложил советский физик Александр Фридман еще в 1922 году. Он теоретически разработал и математически обосновал возможные варианты ее эволюции, которые сейчас называют моделями Фридмана. Согласно этой теории существует некоторое критическое значение средней плотности Вселенной - 1029 г/см3. Если средняя плотность Вселенной меньше критической, то ее ожидает бесконечное расширение, если больше критической, то под действием гравитации через какое-то время начнется процесс сближения галактик и «схлопывания» Вселенной, если же средняя плотность Вселенной и критическая совпадают, то расширение Вселенной постепенно прекращается. В течение многих лет эту концепцию не принимали всерьёз. Эйнштейн считал, что Вселенная статична. Она всегда была и будет неизменной. Но обнаруженные Эдвином Хабблом закономерности изменили представления о рождении Вселенной.

Наблюдаемое расширение Вселенной можно трактовать как следствие первоначального Большого взрыва, произошедшего в начале существования нашей Вселенной. Теория большого взрыва строится на том, что материя и энергия, из которых состоит все сущее во Вселенной, ранее находилось в состоянии, характеризующемся крайне высокой температурой (Т > 1030 К), плотностью (ρ > 1093 г/см3) и давлением. Все из чего на данный момент состоит Вселенная, заключалось в микроскопически малой частице, которая в какой-то момент пришла в нестабильное состояние. В результате этого примерно 13,7 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, после которого началось быстрое расширение Вселенной. Это привело к ее охлаждению до такой температуры, что энергия начала превращение в первые субатомные частицы, которые только через несколько тысяч лет объединились в первые атомы. Примерно после первого миллиона лет атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звезды первого поколения, состоящих в основном из водорода и гелия. Формирование более тяжелых химических элементов происходило в недрах звезд. Звезды эволюционировали, образовывались сверхновые, в результате этого появлялись более тяжелые элементы. Они формировали звезды второго поколения, содержащие азот, кислород, неон и др. Параллельно образуются планетарные системы. Примером звезды второго поколения может служить Солнце, ее примерный возраст 7–10 млрд лет. А возраст Солнечной системы оценивается примерно в 5,5 млрд. лет.

Подтверждением модели Большого взрыва в 1965 г. послужило исследование американских радиоастрономов А. Пензиас и Р. Вильсон. Они обнаружили радиоизлучения Вселенной, идущие равномерно по всем направления с температурой около 2,7 К и не имеющие источника. Это излучение, названное реликтовым, интерпретируют как остаточное излучение ранней горячей Вселенной. Реликтовое излучение – это самое древнее излучение, которое наблюдается во Вселенной и оно может рассказать о сценарии Большого взрыва.

Для воссоздания первых секунд существования Вселенной в Швейцарии построен ускоритель элементарных частиц – Большой адронный коллайдер. Таких ускорителей в истории физики ещё не бывало. CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire) - это самый большой в мире экспериментальный комплекс, длиной в 27 км. В его проектах принимает участие несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран мира. Именно он позволил открыть знаменитый бозон Хиггса – квант поля, придающего элементарным частицам массу; установить рекордную температуру, когда-либо созданную человеком (примерно 5,5 триллионов градусов Цельсия) и еще много открытий из области физики высоких энергий.

Совместные международные проекты и программы осуществляются и при исследовании и использовании космического пространства. Они охватывают самые разные сферы космической деятельности: создание образцов космической техники, совместные пилотируемые полеты, проведение научных исследований, использование результатов космической деятельности и других глобальных космических проектов, обеспечивающих устойчивое развитие человечества.

Выводы: Вселенная как система представляет собой единство многообразия иерархически расположенных объектов. Основные структурные элементы Вселенной – галактики, в состав которых входят звездные системы, газовые и пылевые туманности, планетные системы.

Вселенная согласно современным представлениям не стационарна, она эволюционирует. Наблюдается ускоренное расширение Вселенной. Химические элементы синтезировались в ходе эволюции Вселенной и космических объектов, прежде всего звезд.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1: Установите соответствие между названием и его описанием

А. Закон Хаббла

зависимость частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга

Б. Реликтовое излучение

космологический закон, описывающий расширение Вселенной и связывающий скорость взаимного удаления галактик с расстоянием между ними

В. Эффект Доплера

тепловое излучение, равномерно заполняющее Вселенную.

Правильный ответ: А.2; Б.1; В.3

Подсказка: Воспользуйтесь глоссарием по теме урока

Задание 2. За единицу измерения расстояний между небесными телами за пределами Солнечной системы принимают парсек (пк).

1 пк = 3,08567758128 ∙1013 километр

Данная единица измерения не только выполняет практическую функцию, но и добавляет удобства астрономам. Гораздо проще сказать, что расстояние от Солнца до ближайшей звезды равно 1,3 парсека, чем _________ триллионов километров. Сделайте вычисления и заполните пропуск в тексте (ответ запишите с точностью до десятитысячных)

Правильный вариант: 40,1138.

Подсказка: 1 пк = 30, 8568 триллионов километров

Примечание: Проксима Центавра - красный карлик, относящийся к звёздной системе Альфа Центавра, ближайшая к Земле звезда после Солнца.