Модель горячей Вселенной
Моде́ль горя́чей Вселе́нной — космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц, и протекает при дальнейшем адиабатическом космологическом расширении.
Впервые модель горячей вселенной рассматривалась в 1947 году Г. А. Гамовым. Наиболее существенное наблюдательное предсказание, вытекающее из модели горячей Вселенной — наличие реликтового излучения со спектром, очень близким к спектру абсолютно чёрного тела, возникшего в момент рекомбинации ионов (в основном, водорода и гелия) и электронов в нейтральные атомы.
Возникновение крупномасштабной структуры Вселенной в рамках модели происходит вследствие роста начальных неоднородностей из-за гравитационной неустойчивости. Основной проблемой модели горячей Вселенной в этом аспекте является начальный спектр неоднородностей, который в ней не объясняется, а постулируется либо берётся из измерений. Естественные же предположения о его форме (пуассоновское распределение) предсказывают возникновение на ранних стадиях масштабных неоднородностей [источник не указан 1104 дня] и, соответственно, существенной анизотропии реликтового излучения, что противоречит наблюдаемым данным.
Происхождение элементарных частиц в модели горячей Вселенной с конца 1970-х годов описывают с помощью спонтанного нарушения симметрии. Многие недостатки модели горячей вселенной были решены в 1980-х годах в результате построения инфляционной модели вселенной.
Также важно отметить независимость данной теории от наличия или отсутствия Большого взрыва — вне зависимости от существования начальной космологической сингулярности, которую должна описать квантовая теория гравитации, состояние горячей плазмы, описываемое моделью горячей Вселенной и приводящее к современной наблюдаемой космологической картине, не меняется (помимо самых близких к сингулярности моментов). В то же время после открытия и измерения анизотропии реликтового излучения модель горячей Вселенной считается настолько хорошо подтверждённой наблюдениями, что произошло смешение понятий, и часто, когда говорят о Большом взрыве, на самом деле имеют в виду именно её.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое «Модель горячей Вселенной» в других словарях:
Теория горячей Вселенной — современная теория физических процессов в расширяющейся Вселенной, согласно которой в прошлом Вселенная имела значительно б?льшую, чем сейчас, плотность вещества и очень высокую температуру. Первоначально теория была предложена в 1948 Г. Гамовым… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов
Гипотеза (модель) Гамова горячей Вселенной — гипотеза Георгия Гамова о физических процессах во Вселенной, согласно которой в далеком прошлом, в моменты, предшествующие возникновению Вселенной в результате «большого взрыва», Вселенная имела значительно большую, чем сейчас, плотность материи… … Начала современного естествознания
Модель Вселенной — современная Основные качественные выводы, следующие из анализа фридмановской модели (см. Модели Вселенной): Вселенная нестационарна (она расширяется), плотности энергии вещества, и излучения монотонно падают с течением времени; в прошлом… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов
Инфляционная модель Вселенной — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия
История развития представлений о Вселенной — С ранних времен человек задумывался об устройстве окружающего его мира как единого целого. И в каждой культуре оно понималось и представлялось по разному. Так, в Вавилоне жизнь на Земле тесно связывали с движением звезд , а в Китае идеи гармонии… … Википедия
Тонкая настройка Вселенной — Проверить нейтральность. На странице обсуждения должны быть подробности … Википедия
Вселенная — Крупномасштабная структура Вселенной как она выглядит в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм 1 600 000 галактик, зарегистри … Википедия
КОСМОЛОГИЯ — (от греч. kosmos мир, Вселенная и logos слово, учение), учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астр. наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого; раздел астрономии. Выводы К. основываются на законах физики и… … Физическая энциклопедия
Большой взрыв — У этого термина существуют и другие значения, см. Большой взрыв (значения). Запрос «Теория большого взрыва» перенаправляется сюда; о телесериале с таким названием см. Теория большого взрыва (телесериал). Космология … Википедия
Космическая инфляция — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование галактик … Википедия
Источник
Модель «горячей Вселенной»
Расширяющаяся Вселенная
Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик А. Фридман. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и исходя из этого объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик. Он показал, что в зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.
При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них — вывод, который подтвердил Хаббл открытием красного смещения в спектрах галактик.
Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер его движения:
где G — гравитационная постоянная, а Н — постоянная Хаббла. Помня, что 1 пк = 3,08 • 1013 км и поэтому 1 Мпк = = 3,08 • 1019 км, найдем Н = 2,4 • 10-18 с-1. Тогда критическая плотность вещества: 
Если средняя плотность Вселенной больше критической (ρ > ρкр)9 то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности, равной или меньшей критической (ρ ≤ ρкр), расширение не прекратится.
Средняя плотность вещества, сосредоточенная в виде звезд в галактиках, равна приблизительно 2 • 10-30 кг/см3, что почти в 5 раз меньше критической.
Но делать выводы о бесконечном расширении Вселенной пока преждевременно, так как некоторые астрономы высказывают предположение о существовании в галактиках вещества, которое пока еще не обнаружено. Эта «скрытая масса» может изменить оценку принятой сейчас средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому точного ответа на вопрос о будущем Вселенной в настоящее время не имеется.
Радиус Вселенной легко оценить с помощью закона Хаббла. Так как максимальная скорость не может превышать скорости света, то максимальное расстояние R, до которого мы можем наблюдать небесные тела, соответствует скорости разбегания галактик ν = с = 3 • 105 км/с, откуда
или R = 1,24 • 1026 м.
Возраст Вселенной
Если наблюдения пока не позволяют нам с определенностью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то оценить, когда в прошлом это расширение началось, можно с помощью закона Хаббла. Действительно, если наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью ν и сейчас после «начала» расширения находится на расстоянии r от Земли, то свое удаление она начала в момент
Эти рассуждения применимы для любой галактики. Таким образом, около 13 млрд лет назад все вещество метагалактики было сосредоточено в небольшом объеме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не существовало. Пока не ясны ни физические процессы, протекавшие до этого сверхплотного состояния вещества, ни причины, вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.
Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлетом вещества во время взрыва, поэтому описанная теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва, а время (13 млрд лет), прошедшее с начала этого взрыва, называют возрастом Вселенной.
Модель «горячей Вселенной»
В 1968 г. было обнаружено излучение, которое не связано ни с одним известным источником радиоизлучения. Оно идет со всех сторон и похоже на излучение абсолютно черного тела. Это микроволновое излучение имеет максимум на длине волны λmax = 1 мм, что, согласно закону смещения Вина, соответствует температуре излучения 2,7 К. В прошлом, на ранних этапах эволюции Вселенной, плотность и температура этого излучения были существенно выше.
Таким образом, в прошлом не только плотность, но и температура вещества были очень высокими. Так, например, когда возраст Вселенной был всего несколько секунд, температура вещества и излучения была десятки и сотни миллионов кельвинов.
Конечно, ни о каких галактиках и звездах в этот период говорить не приходится. Они образовались значительно позднее, когда температура и плотность вещества стали ниже. Так как наблюдаемое микроволновое излучение с температурой 2,7 К связано с горячим веществом на ранних этапах эволюции Вселенной, то излучение получило название реликтового (оставшегося от прошлых эпох), а модель расширяющейся Вселенной называют моделью «горячей Вселенной»
Источник
Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение
Учебная дисциплина: астрономия.
Тема: «Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение».
образовательная: формирование представлений об образовании гелия во Вселенной, объяснение причины возникновения реликтового излучения;
развивающая: развитие логического мышления путём систематизации фактов, развитие наблюдательности, формирование мировоззрения, развитие познавательной активности, умений делать выводы, применять полученные знания для объяснения явлений;
воспитательная: развитие коммуникационных компетенций, развитие умение говорить и слушать других, формирование мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира.
— объяснение образования гелия с использования модели горячей Вселенной;
— объяснение возникновения реликтового излучения, как доказательство теории Большого взрыва
— развитие умения решать учебные задачи;
— мотивация на продуктивную учебную деятельность.
Форма: изучение нового материала.
Используемые пособия: Чаругин Виктор Максимович Астрономия 10—11 классы. Учебное пособие для общеобразовательных организаций. Базовый уровень.
Используемое оборудование: тематические таблицы
Технологическая карта занятия:
Планируемый результат (задача)
Мотивация на изучение нового материала
Вступительное слово: общие представления о физических условиях на ранних стадиях расширения Вселенной можно получить из анализа химического состава вещества
Готовность к изучению нового материала
2.Освоение новых знаний
Формирование представлений о возникновении гелия и реликтового излучения во Вселенной
Лекция: Естественно предположить, что до образования звёзд вещество состояло из простейшего химического элемента — водорода. Поэтому первые звёзды, сформировавшиеся из этого вещества, были чисто водородными. При термоядерных реакциях в недрах звёзд образовывался гелий.
В термоядерных реакциях синтеза гелия в недрах Солнца каждую секунду выделяется 4 · 1026 Дж энергии. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия ΔЕ=4,8 · 10–12 Дж.
Поэтому каждую секунду в Солнце образуется 1038ядер атомов гелия, или 6,7 · 1011 кг гелия. Полагая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной: 1,3 ·1010 лет = 3,9 · 1017 с можно подсчитать массу гелия 2,6 · 1040 кг, что существенно меньше наблюдаемой массы гелия.
Исходя из этого астрофизик Г.А. Гамов пришёл к выводу, что основная масса гелия образовалась не в звёздах, а на ранних стадиях расширения Вселенной.
Образование гелия в термоядерных реакциях возможно лишь при температуре свыше нескольких миллионов кельвинов, то на ранних этапах расширения Вселенная была не только плотной, но и горячей. Поэтому принятая в настоящее время модель расширяющейся Вселенной получила название модели «горячей» Вселенной.
Итак, на ранних этапах рас- ширения вещество Вселенной имело огромную плотность и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. По мере расширения температура вещества уменьшалась и, следовательно, уменьшалась температура теплового излучения, которая к настоящему времени должна была сни- зиться до 3 К (–270 °С). Это предсказание современной космологии подтвер- дилось открытием в 1965 г. микроволнового излучения, максимум которого приходится на длину волны λmax = 1 мм, что согласно закону смещения Вина соответствует температуре излучения Т = 2,7 К.
Как показали наблюдения, это излучение не связано ни с одним из известных небесных тел или их систем. Оно равномерно заполняет видимую Вселенную, т. е. ха- рактеризует горячее и сверхплотное состояние вещества в начале расширения. Поэтому это излучение получило название реликтового излучения, т. е. оставшегося от ранних этапов эволюции Вселенной.
Представления о возникновении гелия и реликтового излучения во Вселенной
3. Выполнение практи-ческого задания
Развитие умения решения учебных задач
Организация практикума по решению задачи: полагая, что радиус Вселенной возрастает в зависимости от времени, оцените, когда во Вселенной стали образовываться галактики (время, когда галактики касались друг друга).
Перевод текста задач в краткую запись, выбор соответствующих формул, проведение математи-ческих действий, оценка результата решения задачи
Представление решения задачи
Социальные, аналитические, самосовер-шенствования
Анализ результатов учебной деятельности
Подведение итогов: Вселенная в прошлом была плотной и горячей на- столько, что в ней шли термоядерные реакции синтеза гелия из водорода, именно по этой причине сейчас основная масса вещества состоит из водорода и гелия. Реликтовое излучения является излучением, которое осталось от горячего состояния вещества в начале рас- ширения Вселенной. Домашнее задание: 1)Объясните, почему современная модель расширяющейся Вселенной названа моделью горячей Вселенной.
2)Объясните, что такое реликтовое излучение, в чём заключается причина его возникновения.
Участие в обсуждении учебной деятельности: что узнали нового, возникшие проблемы и т.п.
Источник