Конспект урока для 11 класса «Большой взрыв. Основные этапы эволюции Вселенной»

Предмет физика 11 кл

Тема: Большой взрыв. Основные этапы эволюции Вселенной.

Цель:

Обучающая : познакомить учащихся с понятием «Большой взрыв.

Развивающая : : развивать научность мышления, умение анализировать, выделять главное.

Воспитывающая: : формировать добросовестное отношение к учебному труду.

Оборудование: интерактивная доска, компьютер .

Ход урока.

Ι.Организационный момент.

ΙΙ . Проверка домашнего задание. Повторение .

1. Чем отличаются квазары от обычных галактик?

2. Можно ли по периоду изменения блеска квазара определить расстояние до него?

III. Изучение нового материала .

История окружающего нас мира, история Вселенной — это вопрос, который волновал человечество, начиная с самых ранних ступе­ней познания. Мифы и религиозные учения предполагают свои «космологические систе­мы», свои теории эволюции Вселенной.

Эволюция Вселенной, начиная с Большого взрыва, рассматривается как совместное развитие микро- и мак­роявлений, включающее процессы дифференциации и усложне­ния в микро — и макроветвях эволюции.

Наша Вселенная участвует в закономерном эволюционном процессе.

Но было бы ошибкой процесс эволюции Вселенной, равно, как и всякой другой материальной системы, отождествлять лишь с одной прогрессивной ветвью развития. Развитие всегда состоит из двух ветвей или этапов — прогрессивного и регрессивного, которые объединяются одной общей характеристикой: не­обратимостью происходящих в них изменений.

Состояние вещества и ход физических про­цессов, сами понятия о времени и пространст­ве в «ранний» период эволюции Вселенной, когда плотность была грандиозна, еще недо­статочно ясны и, вероятно, существенно отли­чаются от понятий физики сегодняшнего дня.

Но качественные изменения во Вселенной происходили не только в далеком прошлом. Имеются теоретические предположения, что при определенных условиях эволюция звезд приводит к образованию так называемых «чер­ных дыр». Поле тяжести у поверхности этих дыр так велико, что силы гравитации «сковы­вают» в этой части пространства все виды лу­чистой энергии, в том числе и свет. Поэтому эти массивные звезды становятся невидимы­ми, если только на них не падает вещество извне. Выяснение того, как при этом все же обнаружить «черные дыры», является одной из интереснейших задач современной астро­физики.

Вселенная – это материальный мир, рассматриваемый со стороны его астрономических аспектов. Существуют разные модели Вселенной: «Вселенная Эйнштейна», «Вселенная Фридмана», «Вселенная Леметра», «Вселен­ная Наана», «Вселенная Зельманова», соответствующие разным представлениям о ней как в целом.

Современная картина эволюционирующей Вселенной – не только расширяющейся, но и буквально «взрывающейся», — пожалуй, так же мало похожа на картину статичной Вселенной, которую рисовала астрономия начала XX в., как современные представления о взаимопревращаемости атомов и элементарных частиц на неделимые атомы классической физики.

Научная постановка вопроса об истории Вселенной-одно из важнейших завоеваний современной науки. Астрономия использует наблюдения с помощью телескопов, исследует спектры далеких небесных тел, изучает ра­диоволны, приходящие из самых отдаленных областей. Выводы из этих наблюдений дела­ются с учетом законов природы, изученных в земных лабораториях. Мы используем данные о спектрах атомов, о законах излучения и распространения радиоволн. Мы применяем к Вселенной и к огромным скоплениям звезд теорию всемирного тяготения, проверенную в земных условиях и в Солнечной системе, в частности по движению созданных человеком космических аппаратов.

Большим достижением нашего века явля­ется установление факта эволюции, изменяе­мой Вселенной. Звезды расходуют свой запас горючего — водорода. Горение здесь заключа­ется в превращении водорода в гелий путем ядерных реакций. Удаляются друг от друга огромные скопления звезд. Частью такого скопления является и наша Галактика с ее 100 тыс. млн. звезд. Нужно только пом­нить, что ни сама Земля, ни Солнечная си­стема, ни Галактика не расширяются.

Новое, открытое в 1965 г. излучение объ­ясняется тем, что много миллиардов лет на­зад вся Вселенная была совершенно не похо­жа на современную. Все пространство было заполнено тем, что физики называют плаз­мой,- горячим газом, состоящим из электро­нов, ядер водорода и гелия и излучением. Частицы из­лучения при этом даже преобладали. Все­ленная расширялась, и в ходе этого расшире­ния происходило постепенное изменение, ос­тывание плазмы. Радиоволны, наблюдаемые в настоящее время, — это потомки горячего излучения в прошлом. Такой вывод подтверж­дается и спектром радиоволн — теория по­зволяет правильно предсказывать потоки волн в разных диапазонах.

С охлаждением связано и выделение от­дельных небесных тел. Всем известно, что при охлаждении теплого воздуха возникает туман: водяные пары, содержавшиеся в воз­духе, превращаются в капельки воды. Нечто похожее происходит при охлаждении и с плазмой: электроны и ядра объединяются в атомы, атомы объединяются в облака газа, далее эти облака распадаются на отдельные звезды. Часть вещества и сейчас остается в форме газа.

Подробное теоретическое исследование про­цесса образования Галактик и звезд является одной из центральных задач астрофизики.

В теории космологии приято эволюцию вселенной разделять на 4 эры:

а) адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся высокой температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц – «адронов»);

б) лептонная эра (следующая фаза, характеризующаяся снижением энергии частиц и температуры вещества, состоящего из элементарных частиц «лептонов». Адроны распадаются в мюоны и мюонное нейтрино – образуется «нейтринное море»;

в) фотонная эра или эра излучения (характеризуется снижением температуры до 10 К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества);

г) звездная эра (продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц, продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет назад) до наших дней.

В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».

В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 10 ¹² К (по некоторым оценкам до 10 ¹⁴ К), а плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными словами материя Вселенной представляла собой электронно-позитронные пары (е^– и е⁺); мюонами и антимюонами (м ^– и м ⁺); нейтрино и антинейтрино, как электронными (v _e, v _e), так и мюонными (v _m, v _m) и тау-нейтрино (v _t, v _t); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и античастица) и аннигилировать. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц. Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 10 ¹¹ К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 ¹⁰ К, и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

IV. Закрепление.

1. Каковы размеры Метагалактики?

2. Что подтверждает теорию Большого взрыва в наши дни?

3. Сколько лет нашему Солнцу?

4. Каков возраст нашей Галактики?

V. Домашнее задание. § 12.2