Строение и эволюция Вселенной - ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ, ЯВЛЕНИЯ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕГАМИРА - ОСНОВЫ АСТРОНОМИИ

По данной теме возможен традиционный урок; другим вариантом является лекция в планетарии. Но эффективнее познавательная активность обеспечивается организацией интересной самостоятельной работы. Предлагаем по материалу учебника (§ 108*) организовать конференцию с докладами по следующим темам:

1. Вселенная как фундаментальный астрономический объект. Весь наш мир в целом называют Вселенной. Основные известные параметры Вселенной: состав, возраст, размеры, средняя плотность вещества, скорости движения вещества, излучения и поля. Демонстрация и комментарий обобщающей таблицы 55.

Таблица 55

2. Методы исследования в астрономии. Физические методы в астрономии развивались вместе с физикой. Приведём примеры.

Исторически первыми и важными по результатам стали методы классической механики. С их помощью были определены координаты планет, звёзд, в итоге были построены карты звёздного неба.

Развитие физической оптики привело к появлению нескольких фундаментальных методов в астрономии. Первым по праву является спектральный анализ. Были открыты многие свойства и спектральные классы звёзд. Изучение светимости звёзд позволяет оценить их размеры и температуры их поверхностей.

Открытие в физике излучений разных длин волн привело к возникновению радиоастрономии, рентгеновской и гамма-астрономии. Так, например, с помощью рентгеновского излучения были открыты чёрные дыры.

Ядерная физика позволила понять механизм излучения звёздами громадной энергии в течение длительного времени — это термоядерные реакции.

Статистическая физика даёт метод оценки возраста вещества метеорита на основе экспериментальных данных радиоактивного распада урана.

Можно подготовить пример решения задачи по оценке возраста упавшего метеорита.

Факты. На Землю упал метеорит, в составе которого учёные довольно точно измерили процентное содержание урана и свинца. Период полураспада урана известен — 4,5 ∙ 10⁹ лет.

Была поставлена задача: измерить массу элементов. Оказалось, что масса урана ²³⁸₉₂U — 238 кг, а масса свинца ²⁰⁶₈₂Pb — 206 кг, т. е. имеем количество вещества урана, равное 10³ моль, и такое же количество вещества свинца.

Теоретическая модель. Предполагается, что в момент образования в состав метеорита входил только уран ²³⁸₉₂U с другими минералами. Согласно теории ядро урана в результате последовательного радиоактивного распада превращается в ядро стабильного изотопа свинца ²⁰⁶₈₆Pb.

Решение задачи. Из теории ясно, что одно ядро урана в ходе распада в конечном итоге превращается в одно ядро свинца, т. е. в нашем случае число частиц урана за время жизни метеорита уменьшилось вдвое. На основе закона радиоактивного распада получаем Отсюда выражаем время: или t = T, т. е. прошло около 4,5 млрд лет.

Интерпретация. Числовой результат решения хорошо согласуется с другими представлениями о времени возникновения нашей Солнечной системы, он не противоречит известным теоретическим знаниям. Значит, оценка получена верная.

3. Современная модель эволюции Вселенной: теоретическая модель Эйнштейна—Фридмана, факт разбегания галактик как подтверждение расширения Вселенной, факт наблюдения реликтового излучения как доказательство образования Вселенной в результате Большого взрыва, проблемы изучения Вселенной.

В настоящее время наиболее известной считается теория развития Вселенной в виде модели Большого взрыва. Она была предложена американским физиком русского происхождения Дж. Гамовым (1904—1968). В некий момент времени, по оценкам, 10—20 млрд лет тому назад, масса Вселенной была сосредоточена в области меньше 10^-35 м, но произошёл взрыв и последовавшее за ним расширение, распространение материи. Температура в начальный момент времени была неопределённо велика, более 10³³ К. По теоретическим оценкам, через 0,1 с температура понизилась до 10¹⁴ К, а значит, при такой ещё громадной температуре существовало только излучение. В первые секунды после Большого взрыва при взаимодействии частиц излучения образовывались частицы и античастицы. При дальнейшем расширении Вселенной происходило её охлаждение, под действием гравитационного взаимодействия стали образовываться галактики, звёзды.

В 1965 г. американскими астрофизиками А. Пензиасом и P. Вилсоном было сделано фундаментальное открытие — экспериментально обнаружено реликтовое радиоизлучение. Этот научный факт подтверждает теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной.

4. Интересные книги о Вселенной. Можно рекомендовать школьнику выбрать и дать краткую характеристику книги по астрофизике, например: 1) Хокинг С. Краткая история времени. От Большого взрыва до чёрных дыр. — СПб.: Амфора, 2010; 2) Шкловский И. С. Вселенная. Жизнь. Разум. — М.: Наука, 1987 (то же в издательстве журнала “Экология и жизнь”, 2006).

Вопросы для дискуссии: можно ли экспериментально изучить всю Вселенную? Какие методы используются для изучения ранних стадий развития Вселенной? (Ответ. Во-первых, это теоретическое моделирование на основе физических законов и теорий. Во-вторых, спектральный метод, так как свет от далёких объектов идёт миллиарды лет и несёт нам информацию о ранней стадии развития Вселенной.) В чём особенности методов исследования астрономических объектов? (Ответ. Обычно эти объекты нам напрямую недоступны, исследуют их на больших расстояниях, что сразу накладывает ограничения. Например, нереально определить форму и размеры звёзд в галактиках. В подавляющем большинстве случаев мы не можем обнаружить планеты вокруг звёзд и др. Методы исследования в астрономии сильно зависят от уровня развития физики.) Возникают ли в ходе изучения Вселенной вопросы, на которые пока физика не может ответить? (Ответ. Да. Например: что было до Большого взрыва? Как долго будет расширяться Вселенная? В чём заключается эволюция чёрных дыр?) Почему в космологии такое большое значение имеет открытие реликтового излучения? (Ответ. Реликтовое излучение — излучение вещества на ранней стадии возникновения Вселенной, которое дошло до нас. По мере расширения Вселенной температура излучения падала, теория предсказала энергию квантов излучения, и экспериментально это было подтверждено. Энергия кванта реликтового излучения в несколько тысяч раз меньше энергии кванта видимого света. Это излучение изотропно, т. е. одинаково по разным направлениям, что подтверждает модель Большого взрыва. Экспериментально измерив энергию кванта реликтового излучения, можно теоретически рассчитать энергию квантов излучения сразу после Большого взрыва, определить температуру и т. д.) Есть ли во Вселенной объекты, которые в настоящее время учёные ещё не открыли?