Методика формирования понятий о планетах, звёздах, Вселенной

По спектру космических тел можно судить о степени ионизации и состоянии его вещества, концентрации вещества, давлении и массе газа в туманностях и звездах.

По спектру космических тел можно судить о наличии и мощности их магнитных полей, воздействующих на электромагнитные волны; в результате каждая линия в спектре "расщепляется" на 2 или более линии-близнеца (эффект Зеемана-Штарка).

По спектру космических объектов, наблюдаемых как единое целое даже в мощнейшие телескопы, можно установить, какие из них на самом деле являются системами космических тел и какие тела с какими характеристиками входят в эти системы: спектры их просто "накладываются" один на другой.

По спектру космических тел можно определить характеристики их движения: наличие и скорость вращения, направление и скорость перемещения в пространстве относительно наблюдателя, а в ряде случаев и расстояние до них.

По принципу Доплера для оптики, при сближении наблюдателя с источником излучения длины волн излучения укорачиваются (линии в спектре равномерно сдвигаются) в фиолетовую часть спектра; при удалении объекта спектральные линии сдвигаются в красную часть спектра.

Вращение космических тел обнаруживается по регулярному смещению линий в оба конца от среднего положения. По лучевым скоростям отдельных областей внутри галактик из их спектров узнают о внутренних движениях и распределении масс вещества; по интенсивности эмиссионных линий - о количестве горячего газа, особенностях его распределения и скоростях движения внутри галактики. Для далеких галактик величина "красного смещения" спектральных линий пропорциональна их удаленности:

,

где l ₀ - длина волны спектральной линии при неподвижном источнике, v_л- скорость по лучу зрения.

Телескопы, предназначенные для проведения фотографических наблюдений, называются астрографами. Преимущества астрофотографии перед визуальными наблюдениями: интегральности - способности фотоэмульсии постепенно накапливать световую энергию; моментальности; панорамности; объективности - на нее не влияют личные особенности наблюдателя. Обычная фотоэмульсия более чувствительна к сине-фиолетовому излучению, но в настоящее время астрономы применяют при съемке космических объектов фотоматериалы, чувствительные к различным частям спектра электромагнитных волн, не только к видимым, но и к инфракрасным и ультрафиолетовым лучам. Чувствительность современных фотоэмульсий составляет десятки тысяч единиц ISO. Широкое применение получили киносъемка, видеозапись, применение телевидения.

Астрофотометрия - один из основных методов астрофизических исследований, определяющий энергетические характеристики объектов путем измерения энергии их электромагнитного излучения. Основными понятиями астрофотометрии являются:

Блеск небесного светила - это освещенность, создаваемая им в точке наблюдения:

,

где L - полная мощность излучения (светимость) светила; r - расстояние от светила до Земли.

Для измерения блеска в астрономии используют особую единицу измерения - звездную величину. Формула перехода от звездных величин к единицам освещенности, принятым в физике:

где m - видимая звездная величина светила.

Звездная величина (m) - это условная (безразмерная) величина испускаемого светового потока, характеризующая блеск небесного светила, выбранная таким образом, что интервал в 5 звездных величин соответствует изменению блеска в 100 раз. Одна звездная величина отличается в 2,512 раз. Формула Погсона связывает блеск светил с их звездными величинами:

.

Определяемая звездная величина зависит от спектральной чувствительности приемника излучения: визуальная (m_v) определяется прямым наблюдениями и отвечает спектральной чувствительности человеческого глаза; фотографическая (m_р) определяется измерением освещенности светилом на фотопластинке, чувствительной к сине-фиолетовым и ультрафиолетовым лучам; болометрическая (m_в) отвечает полной, просуммированной по всему спектру излучения, мощности излучения светила. Для протяженных, имеющих большие угловые размеры объектов определяется интегральная (общая) звездная величина, равная сумме блеска его частей.

Для сравнения энергетических характеристик космических объектов, удаленных на разные расстояния от Земли, ведено понятие абсолютной звездной величины.

Абсолютная звездная величина (М) - звездная величина, которой обладало бы светило на расстоянии 10 парсек от Земли:

,

где p - параллакс светила, r - расстояние от светила. 10 пк = 3,086? 10¹⁷ м. Абсолютная звездная величина ярчайших звезд-сверхгигантов около -10^m.

Абсолютная звездная величина Солнца + 4,96^m.

Светимость (L) - количество энергии, излучаемой поверхностью светила в единицу времени. Светимость звезд выражается в абсолютных (энергетических) единицах или в сравнении со светимостью Солнца (L¤ или LA ).

L_¤ = 3,86? 10³³ эрг/с.

Светимость светил зависит от их размеров и температура излучающей поверхности. В зависимости от приемников излучения различают визуальную, фотографическую и болометрическую светимость светил. Светимость связана с видимой и абсолютной звездной величиной светил:

,

,

.

Коэффициент А(r) учитывает поглощение света в межзвездной среде.

О светимости космических тел можно судить по ширине спектральных линий.

Светимость космических объектов тесно связана с их температурой:

,

где R_* - радиус светила, s - постоянная Стефана-Больцмана, s = 5,67? 10^-8 Вт/м^2? К⁴.

Так как площадь поверхности шара

,

а по уравнению Стефана-Больцмана

, .

По светимости звезд можно определить их размеры:

По светимости звезд можно определить массу звезд:

.

Далее следует изложение нового материала в форме беседы, переходящей в лекцию. Оно начинается с определения понятия "звезда" и продолжается рассмотрением основных физических характеристик звезд. Полезно постоянно сравнивать характеристики звезд с известными ученикам характеристиками Солнца.

Внимание учащихся обращается на следующие положения:

1. Звезды - отдельный самостоятельный тип космических тел, качественно отличающийся от других космических объектов. 2. Звезды - один из наиболее распространенных (возможно, наиболее распространенный) тип космических тел. 3. Звезды сосредотачивают в себе до 90% видимого вещества в той части Вселенной, в которой мы живем и которая доступна нашим исследованиям. 4. Все основные характеристики звезд (размеры, светимость, энергетика, время "жизни" и конечные этапы эволюции) взаимозависимы и определяются значением массы звезд. 5. Звезды почти целиком состоят из водорода (70-80%) и гелия (20-30%); доля всех остальных химических элементов составляет от 0,1% до 4%. 6. В недрах звезд происходят термоядерные реакции. 7. Существование звезд обусловлено равновесием сил тяготения и лучевого (газового) давления. 8. Законы физики позволяют рассчитывать все основные физические характеристики звезд на основе результатов астрономических наблюдений. 9. Основным, наиболее продуктивным методом исследования звезд является спектральный анализ их излучения.

Дополнительный познавательный интерес учащихся возбуждается краткими историческими справками об исследовании звезд, цитировании ученых. Полезно зачитать им высказывания о познаваемости природы звезд: "Мы ничего не можем сказать о звездах, кроме того, что они существуют. Даже температура их навсегда останется неопределенной" (О. Конт, 1856) и "Нет ничего более простого, чем звезда" (А. Эддингтон, 1926) с указанием даты этих высказываний, и спросить, что ученики думают по этому поводу; можно даже отвлечься на 3-4 минуты и провести краткий диспут о могуществе науки и познаваемости окружающего мира.

Желательно вслед за изучением материала об основных физических характеристиках звезд предложить ученикам задачи, в которых они по нескольким отдельным физическим параметрам звезды (массе, светимости и т.д.) должны были определять все остальные. Таким заданием может стать частичное заполнение таблицы 7: при знакомстве с основными физическими характеристиками звезд ученики начинают заполнять ее под диктовку учителя: первые 2 столбца (основные классы и массы звезд) полностью, остальные частично. Недостающие параметры отдельных классов звезд ученики должны рассчитать отчасти, под руководством и контролем учителя, в классе и завершить эту работу дома.

Звезды - пространственно-обособленные, гравитационно-связанные, непрозрачные для излучения массы вещества в интервале от 10²⁹ до 10³² кг (0,005-100 М_¤), в недрах которых в значительных масштабах происходили, происходят или будут происходить термоядерные реакции превращения водорода в гелий.

Классификация звезд в зависимости от их основных физических характеристик отражена в таблице 7.

Таблица 7

Классы звезд	Массы М¤	Размеры R¤	Плотность г/см3	Светимость L¤	Время жизни, лет	% общего числа звезд	Особенности
Ярчайшие сверхгиганты	до100	103-104	<0,000001	>105	105	<0,000001	Тяготение описывается законами классической механики Ньютона; давление газа описывается основными уравнениями молекулярно-кинетической теории; выделение энергии зависит от температуры в зоне термоядерных реакций протон-протонного и азотно-углеродного циклов
Сверхгиганты	50-100	102-103	0,000001	104-105	106	0,001
Яркие гиганты	10-100	> 100	0,00001	> 1000	107	0,01
Нормальные гиганты	до 50	> 10	0,0001	> 100	107-108	0,1 - 1
Субгиганты	до 10	до 10	0,001	до 100	108-109
Нормальные звезды	0,005-5	0,1-5	0,1-10	0,0001-10	109-1011	до 90
- белые	до 5	3-5	0,1	10	109
- желтые	1	1	1,5	1	1010
- красные	0,005	0,1	10	0,0001	1011-1013
Белые карлики	0,01-1,5	до 0,007	103	0,0001	до 1017	до 10	Конечные этапы эволюции нормальных звезд. Давление определяется плотностью электронного газа; энерговыделение не зависит от температуры
Нейтронные звезды	1,5-3 (до 10)	8-15 км (до 50 км)	1013-1014	0,000001	до 1019	0,01-0,001	Конечные этапы эволюции звезд-гигантов и субгигантов. Тяготение описывается законами ОТО, давление неклассическое

Размеры звезд колеблются в очень широких пределах от 10⁴ м до 10¹² м. Гранатовая звезда m Цефея имеет диаметр 1,6 млрд. км; красный сверхгигант e Возничего А имеет размеры в 2700 R¤ - 5,7 млрд. км! Звезды Лейтена и Вольф-475 меньше Земли, а нейтронные звезды имеют размеры 10 - 15 км (рис. 34).

Рис. 34. Относительные размеры некоторых звезд, Земли и Солнца

Быстрое вращение вокруг своей оси и притяжение близких массивных космических тел нарушает сферичность формы звезд, "сплющивая" их: звезда R Кассиопеи имеет форму эллипса, её полярный диаметр составляет 0,75 экваториального; в тесной двойной системе W Большой Медведицы компоненты приобрели яйцевидную форму.

Средние плотности звезд изменяются в интервале от 10^-6 г/см³ до 10¹⁴ г/см³ - в 10²⁰ раз! Температура видимой поверхности звезд составляет от 3000 К до 100000 К. Недавно открытая звезда HD 93129A в созвездии Кормы имеет температуру поверхности 220000 К! Самые холодные - Гранатовая звезда (m Цефея) и Мира (o Кита) имеют температуру 2300К, e Возничего А - 1600 К. Светимость звезд - количество энергии, излучаемое их поверхностью в единицу времени - зависит от скорости выделения энергии и определяется законами теплопроводности, размерами и температурой поверхности звезды. Разность в светимости может достигать 250000000000 раз! Звезды большой светимости называют звездами-гигантами, звезды малой светимости - звездами-карликами. Наибольшей светимостью обладает голубой сверхгигант - звезда Пистолет в созвездии Стрельца - 10000000 L¤ ! Светимость красного карлика Проксимы Центавра около 0,000055 L¤ .

Рис. 35. Основные спектральные классы звезд

При изложении материала о спектрах звезд следует обратить внимание учащихся на то, что почти все основные физические характеристики звезд определяется на основе анализа их спектра. Спектральный анализ звездного излучения свидетельствует о сходстве их состава с химическим составом Солнца и об отсутствии неизвестных на Земле химических элементов (полезно кратко рассказать или хотя бы упомянуть ученикам истории открытия гелия и несостоявшегося открытия "корония"). Различия во внешнем виде спектров различных классов звезд свидетельствуют о различиях их физических характеристик. Температура, наличие и скорость вращения, напряженность магнитного поля и химический состав звезд определяются на основе прямых спектральных наблюдений. Законы физики позволяют сделать выводы о массе звезд, их возрасте, внутреннем строении и энергетике, подробно рассмотреть все этапы эволюции звезд.

Почти все спектры звезд являются спектрами поглощения. Относительное количество химических элементов является функцией температуры.

В настоящее время в астрофизике принята единая классификация звездных спектров (табл. 8). По особенности спектров: наличию и интенсивности атомарных спектральных линий и молекулярных полос, цвету звезды и температуре ее излучающей поверхности звезды разделены на классы, обозначаемые буквами латинского алфавита:

C (= R - N)

W - O - B - F - G - K - M S

Каждый класс звезд разделяется на десять подклассов (А0...А9).

Спектральные классы от О0 до F0 называются "ранними"; от F до М9 - "поздними". Некоторые ученые относят звезды классов R, N к классу G. Ряд звездных характеристик обозначается дополнительными маленькими буквами: у звезд-гигантов перед указанием класса ставится буква "g", у звезд-карликов - буква "d", у сверхгигантов - "с", у звезд с линиями излучения в спектре - буква "е", у звезд с необычными спектрами - "р" и т. д. Современные звездные каталоги содержат спектральные характеристики сотен тысяч звезд и их систем.

Запись основных спектральных классов легко запомнить из поговорки:

"Вообразите: один бедный англичанин финики жевал, как мартышка - разве не смешно?"

W ? O ? B ? A ? F ? G ? K ? M ......... R ... N .... S

Таблица 8 Спектральная классификация звезд

Класс	Температура, К	Цвет	Характерные спектральные линии	Типичные звезды
W	до 100000	голубые	Звезды типа Вольфа-Райе с линиями излучения в спектре	S Золотой Рыбы
O	25000 - 35000	голубовато-белые	Линии поглощения Не+, N+, He, Mg+, Si++, Si+++ (знак + означает степень ионизации атомов данного химического элемента)	z Кормы, l Ориона, l Персея
B	15000 - 25000	бело-голубые	Линии поглощения Не+, He, Н, О+, Si++ усиливаются к классу А; заметны слабые линии Н, Са+	e Ориона, a Девы, g Ориона
A	10000	белые	Линии поглощения Н, Са+ интенсивны и усиливаются к классу F, появляются слабые линии металлов	a Большого Пса, a Лиры, g Близнецов
F	7500	желтоватые	Линии поглощения Са+, Н, Fe+ кальция и металлов усиливаются к классу G. Возникают и усиливаются линия кальция 4226A и полоса углеводорода	d Близнецов, a Малого Пса, a Персея
G	6000	желтые	Линии поглощения кальция Н и Са+ интенсивны; линия 4226A и линия железа довольно интенсивны; многочисленны линии металлов; линии водорода слабеют; интенсивна полоса G	Солнце, a Возничего
K	4500	оранжевые	Линии поглощения металлов, Са+, 4226A интенсивны; линии водорода мало заметны. С подкласса К5 наблюдаются полосы поглощения окиси титана TiO	a Волопаса, b Близнецов, a Тельца
R	3000 - 5500	Линии поглощения Са+, многих металлов и полосы поглощения молекул углерода	R Северной Короны
N	3000 - 5500	Мощные полосы поглощения молекул окиси циркония (ZrO)
S	3000 - 5500	Полосы поглощения молекул углерода С2 и циана СN
M	2000 - 3000	красные	Мощные полосы поглощения молекул окиси титана TiO, VO и других молекулярных соединений. Заметны линии поглощения металлов Са+, 4226A ; полоса G слабеет	a Ориона, a Скорпиона, o Кита, Проксима Центавра
Р		Планетарные туманности
Q		Новые звезды

Таблица 9. Усредненные характеристики звезд основных спектральных классов, находящихся на главной последовательности (арабские цифры - десятичные подразделения внутри класса): S_p - спектральный класс, M_b - абсолютная болометрическая звездная величина, T_эф - эффективная температура, M, L, R - соответственно масса, светимость, радиус звезд в солнечных единицах, t_m - время жизни звезд на главной последовательности:

Sp	Mb	M/M¤	L/L¤	R/R¤	Tэф, K	tm, лет
O5	- 10,1m	60	790000	14	44000	3 ? 106
B0	- 7,1 m	16	52000	7,4	30000	107
B5	- 2,7 m	7	830	3,9	15400	3 ? 107
A0	+ 0,3 m	3	54	2,4	12500	2 ? 108
A5	+ 1,7 m	2	14	1,7	8200	6 ? 108
F0	+2,6 m	1,8	6,5	1,5	7200	2 ? 109
F5	+ 3,4 m	1,5	3,2	1,4	6400	3 ? 108
G0	+ 4,2 m	1,05	1,5	1,1	6000	5 ? 108
G5	+ 4,9 m	0,92	0,8	0,92	5800	1,2 ? 1010
K0	+ 5,6 m	0,78	0,4	0,85	5200	1,5 ? 1010
K5	+ 6,7 m	0,69	0,15	0,72	4400	2 ? 1010
M0	+ 7,4 m	0,51	0,08	0,60	3800	5 ? 1010
M5	+ 9,6 m	0,2	0,01	0,27	3200	2 ? 1011
M8	+ 11,9 m	0,1	0,001	0,11	2600	1012



Рис. 36. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. Последовательности: Ia-0 - ярчайших сверхгигантов, Iab - средних сверхгигантов, Iа - ярких сверхгигантов, Ib - слабых сверхгигантов, II - ярких гигантов, III - слабых гигантов, IV - субгигантов, V - главная последовательность, VI - субкарликов, VII - белых карликов

Рис. 37. Упрощенная диаграмма Герцшпрунга-Рессела. Последовательности: I - ярчайших сверхгигантов, II - сверхгигантов, III - ярких гигантов, IV - нормальных гигантов, V - главная последовательность, VI - белых карликов



Рис. 38. Расположение некоторых звезд на диаграмме "спектр-светимость

Рис. 39. Диаграмма "масса - светимость



Рис. 40. Продолжительность жизни звезд в зависимости от их массы

Далее мы знакомим учащихся с основными закономерностями в мире звезд, по диаграммам Герцшпрунга - Рессела "спектр-светимость", "масса - светимость", "масса -продолжительность существования", отражающими тесные связи между основными физическими характеристиками и эволюцией звезд. На данном уроке достаточно ограничиться констатацией взаимосвязи физических характеристик с упором на положение о зависимости всех основных параметров звезды от ее массы. Эволюционный характер диаграмм будет раскрываться при изучении материала о возникновении и эволюции звезд. В "обычных" и "слабых" классах диаграммы можно максимально упростить.

"Вселенная"

звезда планетный космический

Цель: формирование фундаментального астрономического понятия "Вселенная".

Задачи обучения:

Общеобразовательные - формирование понятий:

1) об истории познания Вселенной;

2) о методах и инструментах исследования структуры Метагалактики и законе Хаббла;

3) об основных характеристиках, свойствах, структуре, составу, размерах и возрасте: - Метагалактики; - Мини-Вселенной; - Вселенной.

Воспитательные:

1) Формирование научной картины мира и научного мировоззрения учащихся: - в ходе знакомства с историей, методами познания и основными характеристиками и свойствами Метагалактики, Мини-Вселенной и Вселенной - на основе раскрытия философских положений о материальном единстве и познаваемости мира при изложении материала о природе Метагалактики, Мини-Вселенной и Вселенной. 2) Патриотическое воспитание при сообщении сведений о роли советских ученых в изучении природы Вселенной. 3) Политехническое образование и трудовое воспитание при повторении и углублении знаний о методах и инструментах, применяемых для изучения Метагалактики (спектральный анализ, радиоастрономия т.д.).

Развивающие - формирование умений:

- анализировать и систематизировать информацию, строить классификационные таблицы и схемы, объяснять свойства космических систем на основе важнейших физических теорий, использовать обобщенные планы изучения космических объектов, делать выводы; - решать задачи на расчет межгалактических расстояний и характеристик космических объектов.

Ученики должны знать:

- основные признаки понятий "Метагалактика", "Мини-Вселенная" и "Вселенная"; - о межгалактических расстояниях и законе Хаббла; - о Метагалактике, ее размерах, возрасте, структуре и составе.

Ученики должны уметь: анализировать и систематизировать учебный материал, использовать обобщенные планы изучения космических объектов, решать задачи на расчет межгалактических расстояний и характеристик космических объектов.

Наглядные пособия и демонстрации:

- фотографии, рисунки галактик, их скоплений и Сверхскоплений; схема строения Метагалактики; - диапозитивы слайд-фильма "Иллюстрированная астрономия": "Галактики, эволюция Вселенной"; - диафильмы и фрагменты диафильмов: "Методы астрофизических исследований"; "Развитие представлений о Вселенной"; "Как астрономия опровергла религиозные представления о Вселенной"; "Строение Вселенной"; "Что изучает космология"; - фрагменты кинофильма "Вселенная";

План

Этапы	Содержание	Методы изложения
1	Повторение и актуализация астрономических знаний	Фронтальный опрос, беседа
2	Изложение нового материала: 1.Метагалактика: свойства, строение, структура, состав. 2. Мини-Вселенная. 3. Вселенная	Лекция, беседа, рассказ учителя
3	Закрепление изученного материала. Решение задач	Работа у доски, самостоятельное решение задач в тетради
4	Подведение итогов

Методика проведения:

Изучение материала начинается с повторения сведений о галактиках. В ходе фронтального опроса используются задававшиеся ученикам на прошлом уроке вопросы о природе нашей Галактики и вопросы о других галактиках:

1) Дайте определение понятия "галактика". 2) Какие основные классы галактик вы знаете? Чем они отличаются друг от друга? Какие признаки лежат в основе их классификации? 3) Что такое квазары? Активные галактики? В чем причина высокой светимости квазаров и процессов в ядрах активных галактик? 4) Какие основные галактические системы вы знаете? Чем они отличаются друг от друга? Какие признаки лежат в основе их классификации? 5) Как возникли галактики? От чего зависят характеристики формирующейся галактики?

Затем в форме лекции излагается материал о Метагалактике, Мини-Вселенной и Вселенной.

Следует обратить внимание на то, что в различных научно-популярных книгах, телепередачах и т.д. даже серьезные ученые часто вместо термина "Метагалактика" используют термин "Вселенная", отождествляют Метагалактику и Вселенную: говорят о возрасте и размерах Вселенной, ее возникновении и расширении и т.д. Ученики должны усвоить, что это по сути является методологической ошибкой: Вселенная бесконечна в пространстве и вечна во времени (хотя бы потому, что за пределами Мини-Вселенной наши понятия пространства и времени попросту утрачивают смысл). Можно говорить о происхождении, размерах и расширении Метагалактики и Мини-Вселенной (их возраст практически совпадает), но нельзя говорить о происхождении, возрасте, размерах и расширении Вселенной. Правильному усвоению смысла понятий способствует понимание иерархии этих космических сверхсистем: Метагалактики является составной частью (одним из элементов, одной из множества метагалактик) Мини-Вселенной, которая в свою очередь является частью Вселенной (одной из множества мини-вселенных).

На данном уроке космологические процессы еще не рассматриваются, однако можно объяснить ученикам, что конечность скорости света затрудняет изучение современной Вселенной, но облегчает ее изучение в процессе развития. Мы даже не в силах увидеть, какой облик в данный момент времени имеет наша Метагалактика: чем дальше находится космический объект, тем большее прошлое объекта мы наблюдаем. Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут 20 секунд назад - столько времени понадобилось солнечному лучу, чтобы преодолеть расстояние до Земли; Проксиму Центавра мы наблюдаем такой, какой она была 4,2 года назад; ближайшую спиральную галактику М 31 - такой, какой она была около 2,5 миллионов лет назад; квазары и самые далекие галактики "сдвинуты в прошлое" на 8-12 миллиардов лет.

Под "расширением Вселенной" следует понимать не увеличение линейных размеров всех материальных объектов, а взаимоудаление галактических систем, квазаров и т.д. в пределах нашей Метагалактики и возможное "разбегание" метагалактик в пределах Мини-Вселенной, причем на относительное движение близких гравитационно-связанных элементов космических систем (звезд в галактиках, галактик в группах и скоплениях) это явление не распространяется. Ученики должны усвоить, что наша Галактика не занимает особого, центрального места в Метагалактике - у Метагалактики вообще нет центра, закон Хаббла выполняется для любого наблюдателя в любой из галактик.

Метагалактика - это предельная по степени общности и объему, обладающая структурностью на всех своих уровнях система космических объектов массой около 10⁵² кг, размерами около 10²⁶ м (18-20 миллиардов св. лет) и возрастом от 18 до 20 миллиардов лет.

Крупномасштабная ячеистая структура Метагалактики состоит из гигантских волокноподобных элементов, образованных сверхскоплениями галактик и пустотами ("кавернами") между ними размерами до 300 Мпк, ограниченных "стенками" из галактик толщиной до 10 Мпк. Наиболее богатые галактиками скопления находятся на пересечении волокон.



Рис. 77. Ячеистое распределение галактик в пространстве (в разрезе, проходящем через сверхскопление в Волосах Вероники)

Общее число галактик в Метагалактике может составлять, предположительно, более 10¹⁰ -10¹² объектов, включающих в свой состав свыше 10 ²¹ -10²⁴ звезд.

В межгалактическом пространстве обнаружены огромные облака "горячего" и "холодного" (Т < 2? 10⁶ К) газа (вероятно, остатки протогалактических туманностей), шаровые звездные скопления и отдельные группы звезд. Кроме вещества, входящего в состав вышеперечисленных космических объектов, во всей Метагалактике рассеяны частицы ионизированного и нейтрального газа, пылинки; пространство Метагалактики пронизывают космические лучи, магнитные поля и реликтовое излучение. Возможно существование и неизвестных нам пока объектов. В хорошо исследованной области Метагалактики размерами до 1500 Мпк насчитывается несколько миллиардов галактик. Скопления галактик гравитационно взаимодействуют на расстояниях до 50 Мпк, но на больших (свыше 100 Мпк) расстояниях гравитационное взаимодействие практически отсутствует. Астрономические наблюдения показывают, что все они находятся в движении, удаляясь друг от друга и от нашей Галактики со скоростью

,

где Н - постоянная Хаббла, r - расстояние до объекта.

Скорость движения определяется по "красному смещению" спектральных линий, возникающему благодаря эффекту Доплера (если объект удаляется от наблюдателя, линии в его спектре будут равномерно смещаться на величину z в красную, длинноволновую часть спектра):

.

Постоянная Хаббла определяется из соотношения

для ближайших галактик, расстояние до которых мы можем определить несколькими независимыми способами (по данным наблюдения цефеид и т.д.), однако точность измерений ухудшается с удалением объектов наблюдения. Различные методы определения расстояний до ближайших галактик дают 20% расхождение в оценке значения постоянной Хаббла.

Поэтому значение постоянной определено лишь приблизительно: 73 км/с? Мпк по данным 1996 г. Существование "красного смещения" свидетельствует о расширении Метагалактики; по его величине можно определить расстояние до удаленных космических объектов и их возраст:

.

Низкая точность измерения межгалактических расстояний ведет к возникновению космологического парадокса: данные расчетов на основе различных астрономических наблюдений не вполне согласуются между собой и с выводами космологических и космогонических теорий (возраст Метагалактики, вычисленный на основе вышеупомянутого значения постоянной Хаббла (11-14 млрд. лет) практически совпадает с возрастом старейших звезд Галактики (11-12 млрд. лет) и т.д.). Уточнить межгалактические расстояния, размеры и возраст Метагалактики помогут новые, более мощные средства астрономических наблюдений.

Согласно последним данным, наиболее удаленное из наблюдаемых скоплений галактик MS 1054-0321 массой 10¹⁶ М¤ находится на расстоянии 8 млрд. св. лет от Земли; отдельные наиболее далекие галактики имеют возраст до 18 миллиардов лет и с удалением их число возрастает в той же пропорции, что и в близких областях Метагалактики. С учетом времени, необходимого для формирования этих объектов (1-2 миллиарда лет) следует предложить, что возраст Метагалактики близок к 20 миллиардам лет.

Метагалактика имеет границу - "горизонт событий". Он определяется максимальной скоростью движения любых материальных объектов - скоростью света. Любые объекты Метагалактики могут быть причинно связаны между собой лишь при условии, что расстояние между ними , где t_M - время существования Метагалактики, поскольку любому, даже движущемуся со скоростью света сигналу из-за границы "горизонта событий" на преодоление расстояния до Земли требуется больше времени, чем существует Метагалактика.

Поэтому для большинства людей и для многих ученых понятия "Метагалактика" и "Вселенная" стали синонимами, хотя на самом деле Метагалактика является ничтожно малой частью бесконечной Вселенной.

Существование и свойства Метагалактики обусловлены всей совокупностью ее физических закономерностей, включая размерность пространства. Ее структура и характеристики определяются уникальным набором значений фундаментальных физических постоянных.

Основные свойства Метагалактики:

1. Расширение по закону

.

2. Однородность и изотропность пространства Метагалактики проявляется в том, что в любой момент ее эволюции все направления движения материи равноправны, а плотность материи почти неизменна (самые крупные неоднородности в сотни и тысячи раз меньше размеров Метагалактики).

3. Однородность и анизотропность (направленность от прошлого к будущему) времени.

4. Принцип фундаментальности вероятностных закономерностей и принцип симметрии, заключающийся в выявлении и сохранении общего в объектах и явлениях, ограничении числа возможных вариантов структур и поведения систем, проявляющий себя в законах сохранения массы, энергии, импульса, электрического заряда и спина, в неизменности законов физики при переходе из одной инерционной системы в другую.

Существование любой симметрии (в пространстве-времени, степенях свободы элементарных частиц и физических полей и т.д.) обусловливает существование соответствующих законов сохранения и структуры сохраняющейся величины (теорема А.-Э. Нетер).

Следствием симметрии 4-мерного пространственно-временного континуума является взаимосвязь энергии и массы материальных объектов, выражаемая знаменитой формулой Эйнштейна: Е = m ? c². Инвариантность относительно сдвига во времени (сдвиговая симметрия, проявляющаяся в однородности времени) обусловливает закон сохранения энергии; инвариантность относительно пространственных сдвигов (однородность пространства) - закон сохранения импульса; инвариантность относительно пространственного вращения (осевая симметрия, проявляющаяся в изотропности пространства) - закон сохранения момента количества движения и т.д.

Возможно существование идеальной симметрии случайности (хаоса), являющейся аксиоматикой классической термодинамики и квантовой механики, и наиболее общей симметрии неравновесных процессов, количественным выражением которой являются энтропийные законы сохранения.

Глубина и всеобщность этих принципов позволяет говорить о нашем мире как "симметрическом, построенном на вероятности".

Ход эволюции Метагалактики зависит от "барионной асимметрии": почти полном отсутствии античастиц и антивещества (ядра антиатомов состоят из антипротонов и нейтронов и имеют отрицательный заряд; роль электронов играют положительно заряженные позитроны).

4. Наша эпоха, "звездный этап" эволюции Метагалактики, обладает следующими чертами: - звезды являются основным, наиболее распространенным типом космических тел; - около 95% видимого вещества Метагалактики сосредоточено в звездах;

5. Химический состав Метагалактики: 77,4% водорода; 20,8% гелия; 1,8% других элементов (кислород - 0,85%; углерод - 0,38%; неон - 0,15%; железо - 0,14%; азот - 0,093% и т.д.). Более подробные сведения содержатся в табл. 17.

Распространенность (среднее содержание) химических элементов и их изотопов в космическом пространстве определяется на основе астрофизических и космохимических исследований: изучения состава космических лучей, химического анализа проб грунта космических тел и метеоритов, данных геофизики и геохимии, расчетов внутреннего строения космических тел, исследования спектров космических объектов и их систем.

Преобладание водорода свидетельствует о том, что он является исходным элементом термоядерных реакций синтеза тяжелых элементов. Согласно расчетам ученых, 20-30% первичного водорода превратилось в гелий еще в начале стадии космологического расширения Метагалактики.

Очень мало в Метагалактике ядер элементов лития, бериллия, бора и дейтерия (), поскольку они образуются сравнительно редко в особых условиях (при "холодных" термоядерных реакциях (Т ? 10⁷ К), взаимодействии нейтрино с веществом звезд и т. д.) и легко разрушаются в ходе термоядерных реакций с Т > 10⁷ К.

Распространенность элементов быстро падает с возрастанием атомной массы. Ядра элементов с четным массовым числом А от углерода до кальция имеют более широкую распространенность, нежели с нечетным, поскольку могут быть составлены из целого числа ядер гелия (a -частиц) и образуются в результате термоядерных реакций в недрах звезд-гигантов и при термоядерных взрывах звезд.

Сравнительно много в Метагалактике элементов криптона, ксенона, бария, платины и свинца. Широкая распространенность железа обусловлена особенностями термоядерных реакций, предшествующих вспышкам Сверхновых.

С дальнейшем ростом атомной массы А распространенность тяжелых элементов резко уменьшается, поскольку для их возникновения требуется специфические, очень редко возникающие условия (сверхвысокие температуры и давления, сверхмощные источники нейтронов и т. д.).

Таблица 17

N/N по таблице Менделеева	Название и символ элемента	Распространенность по числу атомов (при Si=106)	Концентрация по массе (в 1 г космического вещества)
1	Водород, Н	2,66? 1010	0,774
2	Гелий, Не	1,80? 109	0,208
6	Углерод, С	1,11? 107	3,8? 10-3
7	Азот, N	2,31? 106	9,3? 10-4
8	Кислород, О	1,48? 107	8,5? 10-3
10	Неон, Ne	2,60? 106	1,5? 10-3
11	Натрий, Na	6,0? 104	4,0? 10-5
12	Магний, Mg	1,06? 106	7,4? 10-4
13	Алюминий, Al	8,5? 104	6,6? 10-5
14	Кремний, Si	1,00? 106	8,1? 10-4
16	Сера, S	5,0? 105	4,6? 10-4
18	Аргон, Ar	1,06? 105	1,1? 10-4
20	Кальций, Ca	6,25? 104	7,2? 10-5
24	Хром, Cr	1,27? 104	1,9? 10-5
25	Марганец, Mn	9,3? 103	1,5? 10-5
26	Железо, Fe	9,0? 105	1,4? 10-3
28	Никель, Ni	4,78? 106	8,1? 10-5

6. Химическая эволюция Метагалактики неразрывно связана с эволюцией космических объектов и протекает в направлении уменьшения концентрации легких химических элементов(водорода и гелия) с одновременным увеличением среднего содержания тяжелых химических элементов (звезды I поколения, образовавшиеся 12-11 миллиардов лет назад содержали 0,1 %; звезды II поколения, образовавшиеся 6 - 5 миллиардов лет назад - 2-3%; формирующиеся сейчас звезды Ш поколения содержат 3-4% тяжелых элементов).

7. "Антропный принцип" обусловливает закономерность и неизбежность возникновения и развития жизни на Земле и, вероятно, на многих других землеподобных планетах Метагалактики. Подробнее об "антропном принципе" будет рассказано на следующем уроке.

Гигантская Метагалактика, в которой мы живем и которая доступна наблюдениям наших приборов, является отдельным крохотным участком Мини-Вселенной.

Мини-Вселенная - часть Вселенной, обладающая собственной уникальной совокупностью физических закономерностей; пространственно-обособленная, предельная по степени общности и объему система метагалактик массой 10⁷⁵ до 10¹⁰⁰ кг, размерами отм до м, образовавшаяся в результате флуктуации энергетической плотности физического вакуума 18 - 20 миллиардов лет назад. Пространство Мини-Вселенной является единой причинно-связанной областью.

Следует ознакомить учащихся с важнейшими характеристиками и свойствами Мини-Вселенной:

1. Универсальность законов физики. Законы физики едины для всей Мини-Вселенной. 2. Принцип симметрии: выявление и сохранение общего в объектах и явлениях, ограничение числа возможных вариантов структур и поведения систем. Проявляется в законах сохранения массы, энергии, импульса, электрического заряда и т.д. и в неизменности законов физики при переходе из одной инерционной системы в другую. 3. Однородность и изотропность Мини-Вселенной: в любой момент ее эволюции все направления движения материи равноправны, а плотность материи почти неизменна. Проявляется в свойствах (однородности и изотропности) пространства и анизотропности времени (направленности из прошлого в будущее).

Наша Мини-Вселенная в свою очередь является лишь небольшой частью необъятной вечной Вселенной.

Понятие "Вселенная" - категориальное, предельно широкое, неопределимое через род и видовое отличие; определение подобных понятий дается на основе описания основных свойств и характеристик объекта. Желательно, чтобы в определении понятия "Вселенная" (первой его половины) приняли участие, под руководством учителя, сами ученики:

Вселенная - это совокупность множества мини-Вселенных. По некоторым оценкам, наша Вселенная может включать до 10⁵⁰ Мини-Вселенных! Возможно одновременное существование Мини-Вселенных, находящихся на разных стадиях своего развития. Возможно, на определенных стадиях своего развития каждая мини-Вселенная полностью преобразуется, порождая мини-Вселенную нового поколения.

Вселенная - весь объективно существующий мир; все сущее; все, что мы можем наблюдать и все, что мы можем представить себе на основе современных научных теорий. Вселенная не имеет ни начала, ни конца, она всегда существовала и будет существовать; она бесконечна в пространстве и вечна во времени. Вселенная непрерывно изменяется, развивается, эволюционирует.

Повторение, расширение и углубление общенаучных понятий о материи, ее основных формах существования, законах движения, пространстве, времени, веществе, поле, физическом вакууме и видах фундаментальных физических взаимодействий не только способствует формированию понятия "Вселенная" и "профилактике" верного использования этого термина, но и укрепляет межпредметные связи курсов физики, астрономии и обществоведения, а также является своеобразной пропедевтикой материала по основам космологии, который будет изучаться на следующем уроке. Этот этап урока лучше всего проводить в форме беседы, в которую нужно вовлечь весь класс.

Вселенная материальна. Термин "материя" означает все, что реально существует в окружающем мире. "Материя - это объективная реальность, данная нам в ощущении" (В.И. Ленин).

Материальны электромагнитные, гравитационные и другие физические поля, элементарные частицы, атомы, молекулы, любые вещества и макроскопические тела, живые существа и космические объекты.

Материя несотворима и неуничтожима: она всегда была, есть и будет. Видимое исчезновение материи всегда означает лишь ее переход в качественно иное состояние. Материя постоянно изменяется, эволюционирует, переходит в качественно иные, более высокие и сложные формы.

Материя находится в непрерывном движении.

Основные свойства и признаки движения материи:

1. Движение - способ (форма) существования материи: любые изменения, происходящие с материей. "Движение, рассматриваемое в самом широком смысле слова, … обнимает собой все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная с простейшего перемещения и заканчивая мышлением" (Ф. Энгельс). Под движением материи следует понимать не только механическое перемещение материальных объектов в пространстве, но и любые происходящие в них и с ними процессы: физические, химические, биологические, социальные...

2. Движение неразрывно связано с материей. Нет, и не может быть движения без материи, как нет, и не может быть материи без движения.

3. Каждому виду материи присущи специфические формы и виды движения.

4. Все виды движения взаимосвязаны, взаимообусловлены друг другом.

5. Все виды движения взаимно превращаются друг в друга.

6. Обобщенный закон сохранения движения, обусловливающий существование всех 10 законов сохранения физики: при всех превращениях одного вида движения в другой в количественном отношении движение остается неизменным. Движение вечно, оно не возникает из ничего и не исчезает бесследно.

7. Движение материи происходит в пространстве и во времени. Материя, пространство и время неразрывно связаны между собой и оказывают взаимное влияние друг на друга.

Пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов. Выделяемая часть пространства ограничивает, а иногда и образует отдельные объекты природы.

Пространство Мини-Вселенной обладает свойствами:

· непрерывности (при D r >10^-33 м);

· трехмерности в декартовой системе координат;

· изотропности: любые направления эквивалентны, равноправны; физические законы инвариантны относительно выбора направлений осей координат системы отсчета; следствие - закон сохранения момента импульса;

· однородности (симметрии): все его места эквивалентны, физически одинаковы: при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются; следствие - закон сохранения импульса.

Время выражает последовательную смену явлений и состояний материальных объектов, продолжительность их существования. Обладает свойствами:

· непрерывности (при D t >10^-41 с);

· одномерности;

· однородности (инвариантности физических законов относительно выбора начала отсчета времени), следствие - закон сохранения энергии;

· анизотропности (направленности хода из прошлого в будущее);

· необратимости; следствие - необратимость тепловых процессов, закон возрастания энтропии.

Принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени: смещение во времени и пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Главными взаимосвязанными характеристиками материальных объектов являются: энергия - общая количественная мера различных форм движения материи, описывающая состояние объектов и их способность к взаимодействию между собой; и масса - мера гравитационных и инертных свойств и полной энергии объектов.

Закон сохранения материи - один из фундаментальных законов Вселенной: общее количество материи во Вселенной никогда не изменяется: материя не исчезает бесследно и не появляется из "ниоткуда", а лишь переходит из одного состояния в другое.

Известны 4 вида фундаментальных физических взаимодействий:

1. Гравитационное взаимодействие - дальнодействующее пропорционально массам объектов системы и характеризуемое участием гравитационного поля. Сила его определяется законом Всемирного тяготения; интенсивность определяется безразмерной постоянной гравитационного взаимодействия a _g.

,

где m - характеристическая масса. При m = m_p a _g » 10^-38.

Электромагнитное взаимодействие - дальнодействующее, характеризуемое участием электромагнитного поля, излучаемом, поглощаемом или переносящем взаимодействие между телами. Отвечает за взаимодействие заряженных частиц. Интенсивность определяется безразмерной постоянной:

3. Сильное взаимодействие - короткодействующее на расстояниях около 10^-15 м. Проявляет себя в ядерных реакциях и взаимодействии элементарных частиц (систем кварков, из которых состоят частицы). Интенсивность определяется постоянной a _s. При m = m_p a _s » 1.

4. Слабое взаимодействие - короткодействующее на расстояниях около 10^-18 м. Проявляет себя в ядерных реакциях и взаимодействии элементарных частиц. Интенсивность определяется постоянной a _w » 10^-5, определяемым соотношением:

,

где g_F = 10^-49 эрг? см³ - постоянная Ферми; m = m_p.

Выделяют три взаимосвязанные формы существования материи: вещество, поле и физический вакуум.

Вещество - вид материи, обладающей массой покоя и дискретной структурой, образуемой взаимодействующими системами элементарных частиц.

Физические поля не обладают массой покоя и имеют непрерывную структуру.

физический вакуум в настоящее время представляет собой материю (невозбужденное (основное) состояние фундаментальных силовых полей) в самом низком энергетическом состоянии. Термин "вакуум" - синоним пустоты, однако космическое пространство, даже в отдалении от любых космических объектов, - не пусто. Эта среда состоит из множества взаимодействующих между собой виртуальных ("вероятных") частиц, время существования которых много меньше времени, необходимого для их регистрации. Виртуальный электрон "живет" менее 10^-21 с, виртуальный протон - 10^-24 с, а затем распадаются, превращаясь в столь же короткоживущие частицы. Существование виртуальных частиц подтверждают многочисленные косвенные данные об их взаимодействии с "реальными" частицами и явление поляризации вакуума (эффект Генриха Казимира предсказан в 1948 г - первый удачный эксперимент в 1958 г., лэмбовский сдвиг открыт в 1947 г. - Уиллис Юджин Лэмб вместе с Резерфордом (нобелевская премия за 1955 г.).

При взаимодействии между собой отдельные виртуальные частицы могут приобрести энергию, во много раз увеличивающую время их существования. Для внешнего наблюдателя это событие выглядит как появление "ниоткуда", из пустоты, пары частица - античастица.

Плотность потенциальной энергии физического вакуума составляет около10⁹¹ Дж/см³

Предполагается, что когда-то в нашей части Вселенной "энергетическая плотность" вакуума была несравнимо выше современной. Колебания энергетической плотности "ложного вакуума" могли порождать объекты с невероятно высокой массой, сопровождавшиеся соответствующим чудовищным выделением энергии вакуума.

В настоящее время единая теория происхождения и развития Метагалактики и Вселенной еще не создана.

Физики и астрономы совместно разрабатывают квантовую теорию гравитации и теорию физического вакуума, изучают происхождение фундаментальных постоянных, природу и размерность физического пространства и времени. Физика элементарных частиц и космология тесно взаимосвязаны между собой. Создание общей физической теории и теории возникновения и развития Метагалактики - два разных аспекта одной проблемы.

Познание Вселенной осуществляется на основе системы идей современной физической картина мира.

Размещено на Allbest.ru