ВСЕЛЕНАТА

Урок по физика за 12 клас

ПМГ “Проф. Ем. Ивнов”, гр. Кюстендилаприл 2012 г.

Съдържание

• Космология• ОСНОВЕН КОСМОЛОГИЧЕН ПРИНЦИП• Космологични модели• Големият взрив

Космология

Космологията е наука, изследваща структурата и развитието на Вселената като цяло.

Космологията е наблюдателна наука, която се основава на два факта:разширението на Вселената или червеното разбягване на

галактиките, описано със закона на Хъбъл;

 реликтовото или микровълново фоново излъчване, отговарящо на температура 2,7 К, открито от радионаблюденията на Пензиас и Уилсон в средата на ХХ век.

Червено разбягване на галактиките – долу е спектъра на неподвижна галактика, горе – на отдалечаваща  се.

1pc = 3,26 ly

Земята се върти около Слънцето и заедно с него – около центъра на Млечния път. Нашата Галактика също се движи в Местната група галактики към купа галактики в Дева. Скоростите на всички тези движения силно се различават от тази на микровълновото фоново излъчване.Cкоростта на движение на Местната група галактики от порядъка на 600 км/сек спрямо фоновото реликтово лъчение – много по-голяма от очакваната. Въпросът е какво ни тегли с такава сила в пространството?

Това е карта на небето от спътника-изследовател на космическия фон СОВЕ

През последните години космологията изживява “втора младост”. Към небето са отправени не само телескопи и всякакви детектори на електромагнитни вълни. В дълбините на времето и пространството ни отвеждат ускорителите на елементарни частици. Колкото по-мощни са те, толкова по-древни частици се появяват – такива, каквито е имало в ранните епохи на зараждащата се Вселена.

Ускорителя на заредени частици в Швейцария

Наблюдения с телескопа Хъбъл

Kарта на микровълновия реликтово лъчение, възникнало само 380 хиляди години след Големия взрив. Получена от спътника WMAP. Вселената се състои 73% от загадъчна тъмна енергия; 23% интригуващо тъмно вещество и само 4% от познатото ни вещество във вид на атоми. Установена е възрастта на Вселената с небивала точност – 13,7 млрд. Години и скоростта й на разширяване – 71 км/с.Мпс

През 1992 г. бе установено, че във фоновото

микровълново лъчение има много малки нееднородности.

Те свидетелстват за ставащото в ранната изключително

“малка” Вселена, когато се е изявявала квантовата

природа на веществото. От тези нищожно малки

сгъстявания – “зародишите” - впоследствие възникнали

куповете и самите галактики в тях. И по-нататък –

звездите, в които се раждат химическите елементи и се

извършва кръговратът на вселенското вещество.

Детайлната карта на микровълновия реликтов фон, получен от спътника WMAP.

Виждат се първоначалните нееднородности, довели до сегашната “клетъчна” структура на Вселената.

Въпреки наличието на купове и свръхкупове от галактики, ограждащи огромни празнини и

даващи представа за странната клетъчна структура на Вселената в голям мащаб тя е

еднородна.

Възможностите на нашите телескопи са усилени от “оптиката на естествената гравитационна леща.Това са масивни струпвания от галактики, които деформират пространството според следствията от Общата теория на относителността на Айнщайн и това кара светлината от галактиките зад куповете да се изкриви, в резултат на което се появяват размножени изображения на тези галактики.

Гравитационни лещи

Купът от галактики Abell 2218 е  един от най-близките до нас – на разстояние от около 2 млрд. св.г.Изкривяването на светлинните лъчи на по-далечните обекти зависи от масата на галактичните купове. Видимото вещество от жълтеникавите галактики от купа, изобразен тук е само 1% от масата, необходима да се появят дъговидните синкави и оранжеви изображения на галактиките зад купа. Останалата част от масата на купа галактики е т.нар. тъмна материя – каква точно – това е един от нерешените въпроси на съвременната космология.

Отделно е дадено усиленото от гравитационната леща изображение на много древна галактика-бебе на възраст 13,4 млрд.св.г. с диаметър само 500 св.г. в сравнение с 100-те хиляди св. г. диаметър на нашата Галактика. Звездите в нея са първичните – възникнали в такава ранна епоха от живота на Вселената.

Черната дупка и спътник звезда

Черните дупки изкривяват пространството

ОСНОВЕН КОСМОЛОГИЧЕН ПРИНЦИП

Вселената е еднородна. Т. е. ако разположим структури като Великата стена в куб с размери 200-300 млн. св. г., той ще съдържа еднакво количество галактики – толкова, колкото и всеки друг куп с такива размери на друго място във Вселената. Един наблюдател, разположен на произволно място във Вселената, ще вижда същата едромащабна структура, която виждаме и ние. Това свойство се нарича изотропност на Вселената.Това означава, че структурните детайли на далечните звезди и галактики, физическите закони, на които те се подчиняват и съответните константи в тях, независимо къде и на какво разстояние са от нас, са също едни и същи. В ГОЛЯМ МАЩАБ, НАВСЯКЪДЕ И ПО ВСЯКО ВРЕМЕ, ВСЕЛЕНАТА Е ЕДНАКВА Така възприетият от космолозите принцип позволява да се построи теория на цялата Вселена – наблюдаемата и ненаблюдаемата. Вселената може да се моделира – това означава, че може да се конструира физико-математически модел на Вселената, който се основава на представите на своите създатели.

ФОТОМЕТРИЧЕН ПАРАДОКС на Шезо-Олберс.

В самото начало на ХХ век Айнщайн поставя фундамента на новата физика – Специалната и Обща теория на относителността. Логичните разсъждения и математически решения на уравненията довели до неочаквана представа за гравитацията като свойство на изкривеното пространство-време. Докато всеки, умеещ да борави с математически уравнения сам може да стигне до верните им решения, то представата за изкривеното пространство-време смутила и най-будните умове на времето си.

Айнщайн поставя космологична константа в уравненията си, за да ги съвмести с представите си за статична Вселена. След наблюдателното откритие за разширяващата се Вселена, Айнщайн има доблестта сам да се отрече от своята константа и я нарича най-голяма си грешка.След 80 години “грешката на Айнщайн” се оказва вярна – космологичната константа би могла да е израз на т.н. ТЪМНА ЕНЕРГИЯ, каквато се предполага че представлява по-голямата част от вселенската материя. Именно тя добре обяснява откритото ускорено разширение на Вселената в настоящата епоха.

Моделът на динамичната гореща Вселена

Александър Фридман

Критична плътност, възлизаща на 8х10(-27) г/куб. см

Хъбъл и разбягващите са галактики1929 г.

Съвременен модел

ГОЛЕМИЯТ ВЗРИВ

Джордж ГамовТеорията на Големия взрив е разработена от Джордж Гамов – американски астрофизик, живеещ и работещ в Америка от 1934 г., но руснак по произход – роден в Одеса през 1904 г.

Взаимодействията в природата от Големия взрив.

“Змията” на Глешоу все още търси “опашката” си –

Теорията на великото обединение.

СИЛНО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

– отговорно за стабилността на

ядрото.

Кварките са частиците, глуоните

/слепващи/ са частиците на

взаимодействие,

ЕЛЕКТРОМАГНИТНО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – играе основна роля в мащабите на атома

и е отговорно за многообразните

прояви на електромагнетизма.

Фотони

СЛАБО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – отговорно за превръщането на химичните елементи при термоядрените реакции в недрата на звездите и е 1000 пъти по-слабо по интензивност от електромагнитното.

Адроните /протони и неутрони/ са частичките, а бозоните са тези, които осъществяват взаимодействието между тях.

ГРАВИТАЦИОННО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – подчинява всичко в света - цялата Вселена, еволюцията й, както и тази на структурите в нея.

Гравитон?

http://www.deepastronomy.com/star-astronomy.html

Източници:http://www.deepastronomy.com/

http://www.spacetelescope.org/videos/astro_bw/

http://astronomy4all.com/

3 D анимация на най-отдалечения квазар