Методика преподавания астрономии

---

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Методика проведения 4 урока
"Основы космологии"

Цель: формирование системы космологических понятий.

Задачи обучения:

Общеобразовательные - формирование понятий:

1) о космологии как науке, разделе астрономии, изучающей возникновение и эволюцию Вселенной;
2) об истории познания Вселенной и основах астрономических теорий "инфляционной Вселенной" и "пульсирующей Вселенной";
3) о космическом процессе возникновения Мини-Вселенной в результате энергетической флуктуации физического вакуума и основных этапах ее эволюции: сингулярности, явлении Большого Взрыва, инфляционном расширении, современном состоянии в форме системы метагалактик и возможном неограниченном расширении или сжатии до состояния сингулярности;
4) о космическом процессе возникновения Метагалактики и основных этапах ее эволюции: начальном расширении, образовании элементарных частиц и атомных ядер, рекомбинации, образования галактик; современном "звездном" этапе, завершающих этапах космического процесса эволюции галактик и черных дыр и "лептонной" пустыне;
5) о космическом явлении реликтового излучения и космических объектах, существовавших на ранних стадиях эволюции Метагалактики: "возмущениях плотности", "блинах" и протогалактических облаках;
6) о материи, движении, пространстве, времени и их взаимной связи, фундаментальных законах материального мира и характере действия физических законов в пределах Метагалактики и Мини-Вселенной;
7) об основных направлениях развития материи, "антропном принципе" и условиях возникновения, существования и развития жизни и разума во Вселенной.

Воспитательные:

1) Формирование научной картины мира и научного мировоззрения учащихся:

- в ходе знакомства с историей познания Вселенной, происхождением и эволюцией Мини-Вселенной, Метагалактики, галактических систем и галактик;
- на основе раскрытия философских положений о материальном единстве и познаваемости мира и изложения сведений о материи основных направлениях ее развития, движении, пространстве, времени и их взаимной связи, фундаментальных законах материального мира, "антропном принципе".

3) Патриотическое воспитание при сообщении сведений о роли российских ученых в создании современных космологических теорий.

Развивающие: формирование умений анализировать и систематизировать информацию, строить классификационные таблицы и схемы, объяснять возникновение и характер проявления физических законов и свойства космических систем на основе важнейших космологических теорий, использовать обобщенные планы изучения космических процессов и явлений, делать выводы.

Ученики должны знать:

- о космологии как одном из главных разделов астрономии, ее возникновении и развитии;
- основные положения современных космологических теорий: о возникновения Мини-Вселенной и Метагалактики, основных этапах ее эволюции: сингулярности, явлении Большого Взрыва, начальном расширении, образовании элементарных частиц и атомных ядер, рекомбинации, образования галактик; современном состоянии и возможных путях развития;
- о материи, пространстве, времени и их взаимной связи, фундаментальных законах материального мира и характере действия физических законов в пределах Метагалактики и Мини-Вселенной, основных направлениях развития материи и "антропном принципе".

Ученики должны уметь: анализировать и систематизировать учебный материал, строить классификационные таблицы и схемы, объяснять свойства космических систем на основе важнейших физических теорий, использовать обобщенные планы изучения космических процессов и явлений.

Наглядные пособия и демонстрации:

- фотографии ученых – творцов современных космологических теорий, рисунки и схемы образования, строения и развития Метагалактики и Мини-Вселенной;
- диапозитивы из слайд-фильма "Галактики, эволюция Вселенной";
- диафильмы и фрагменты диафильмов: "Развитие представлений о Вселенной"; "Строение Вселенной"; "Что изучает космология";
- фрагменты кинофильма "Вселенная".

План урока

Этапы урока	Содержание	Методы изложения	Время, мин
1	Повторение и актуализация астрономических знаний	Фронтальный опрос, беседа	7-10
2	Изложение нового материала: 1.Возникновение Мини-Вселенной и Метагалактики, основные этапы и характерные черты эволюции Метагалактики. 2. Антропный принцип. 3. Возможные пути дальнейшего развития Метагалактики	Лекция, беседа, рассказ учителя	22-27
3	Обобщение знаний о природе Вселенной	Беседа, диспут	10-12
4	Подведение итогов урока. Домашнее задание		3

 Задание на дом:

1. По материалу учебников:

- Б.А. Воронцов-Вельяминова: изучить § 30.
- Е.П. Левитана: изучить §§ 30, 32; вопросы к параграфам.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: изучить § 34; вопросы; упр. 34.7.

2. Повторение материала по всему курсу астрономии, подготовка к контрольной работе.

Методика проведения урока:

Рассмотрев структуру и состояние наблюдаемой части Вселенной на современном этапе ее развития, мы на этом предпоследнем уроке астрономии должны ознакомить учеников с основами космологических теорий.

Урок начинается с повторения сведений о галактиках, системах галактик, Метагалактике и Мини-Вселенной. Фронтальный опрос или, лучше, беседа с учениками основываются на использовании вопросов, задававшихся ученикам на прошлых уроках. Дополнительными вопросами являются:

1. Что такое Метагалактика? Какие характеристики (размеры, возраст, основные элементы системы) и свойства Метагалактики вы знаете? Какую структуру она имеет?
2. Что такое Мини-Вселенная? Какие ее характеристики и свойства вы знаете?
3. Что такое Вселенная? Что вы знаете о Вселенной?

Понятия о возникновении и эволюции Метагалактики (Мини-Вселенной) формируются на основе повторения и обобщения материала разделов электродинамики, квантовой оптики, атомной и ядерной физики, основ общей и специальной теории относительности и физики элементарных частиц. Формирование данных понятий предшествует систематизации и обобщению всего изученного в школе астрономического и физического материала, необходимого для завершения формирования современной физической картины мира и научного мировоззрения выпускников средних учебных заведений.

В классах со слабоуспевающими учениками, в классах с обычным уровнем физико-математической подготовки учеников и при недостатке учебного времени можно ограничиться упрощенным качественным объяснением космических процессов образования Мини-Вселенной и Метагалактики по схемам рис. 77, 80.

Еще раз обращаем внимание на необходимость верного использования учителем и учениками терминов "Вселенная", "Мини-Вселенная" и "Метагалактика", обозначающих совершенно разные понятия. Ученики должны понимать, что в любых, в том числе научно-популярных и научных печатных изданиях, телепередачах и т.д. при рассуждениях о возникновении, расширении, сжатии Вселенной речь идет лишь о Метагалактике и Мини-Вселенной - сравнительно небольших известных нам участках всей Вселенной (иногда называемой во избежание путаницы "Большой Вселенной"). Термин "Большой Взрыв" также обозначает космический процесс, не имеющий ничего общего с понятием взрыва в физике. По тем же причинам нужно быть осторожным с использованием понятия "эволюция (развитие) Вселенной" поскольку и в этом случае, как правило, подразумеваются космические процессы эволюции Метагалактики и Мини-Вселенной. Терминологическая путаница ведет к ошибкам научного и философского характера.

Нужно бороться как с упрощенными представлениями космологических процессов, так и с идеалистическими (религиозными) взглядами на возникновение Мини-Вселенной и Метагалактики как акт "Божественного творения", доказательство существования Бога.

Школьники должны понимать, что космологические теории создаются совместным трудом физиков и астрономов, на пересечении этих величайших наук. Полная, единая, завершенная космологическая теория будет создана еще не скоро, хотя основные ее положения уже сформулированы учеными.

В начале изложения нового материала следует напомнить ученикам определение науки космологии:

Космология – раздел астрономии, исследующий происхождение, основные физические характеристики, свойства и эволюцию Вселенной. Теоретической основой космологии являются современные физические теории и данные астрофизики и внегалактической астрономии.

Далее желательно ознакомить учащихся с историей создания и учеными – творцами теорий о возникновении, основных характеристиках и развитии Вселенной, обратив внимание школьников на работы А.А. Фридмана, Г. Г. Гамова и других соотечественников.

Затем ученики знакомятся с основными положениями современных космологических теорий:

Возникновение Метагалактики

Известная нам часть Вселенной образовалась в результате флуктуации - изменения энергетической плотности физического вакуума, сопровождавшегося выделением огромного количества энергии. Этот процесс получил название "Большого Взрыва".

В момент начала образования (t_в = 0 c) материя была сосредоточена в точечном объеме (R_в ® 0) и обладала бесконечно большой плотностью (r _{в ®} ¥ ). Это состояние материи называется сингулярностью.

Рис. 78. Основные этапы эволюции Вселенной

5 000 000 000 лет Современная эпоха - звездный этап эволюции

Мы не имеем никаких материальных свидетельств о происходивших в ту эпоху процессах. Существующие физические теории не могут описать материю в состоянии, близком к сингулярности. Предполагается, что даже свойства пространства и времени были тогда качественно иными: пространство имело до 10 измерений, обладало сложной "дышащей", изменяющейся структурой, а время дробилось на мельчайшие неделимые "капли". При значениях энергии Е ~ 10²⁸ эВ элементарные частицы интерпретируются как продольные колебания одномерных протяженных объектов планковских размеров ("струн"), концы которых могут быть как свободными, так и соединенными друг с другом. Для любого момента времени "струне" соответствует линия в трехмерном пространстве, а движению струны в пространстве-времени – двумерная поверхность "мирового листа".

Известные нам законы физики начали действовать с момента t_в= 10^-43 с, когда стали существенными явления гравитации, квантования и релятивизма, характеризуемые соотношением гравитационной постоянной G, постоянной Планка и скоростью света с, когда размеры Вселенной составляли R_в= 10^-31 м при плотности материи r _в=10⁷⁴–10⁹⁴ г/см³ с температурой Т_в = 1,3 × 10³² К.

.

С этого момента пространство и время обрели привычные нам свойства. При расширении пространства температура и плотность среды уменьшались намного быстрее плотности вакуума. Отрицательное давление физического вакуума р = - р× с² породило явление взаимного отталкивания материальных объектов, обратное гравитации. Не имевшие ранее массы (как современные фотоны) частицы материи, стремительно поглощали чудовищную энергию порождавшего их вакуума: от 10⁸⁸ до 10¹⁰⁸ Дж/см³ и становились в соответствие с соотношением сверхмассивными объектами.

Возникшая часть Вселенной - Мини-Вселенная - стала стремительно, "инфляционно" расширяться по экспоненциальному закону:

.

Инфляционная Мини-Вселенная была чем-то похожа на раздувающийся воздушный шарик: расстояние между всеми точками поверхности равномерно увеличивалось потому, что между ними возникало, увеличивалось само пространство. Мини-Вселенная не расширялась в каком-то внешнем по отношению к ней пространстве: само пространство возникало, увеличивалось внутри нее, "раздвигало" ее границы. Энергия распада "ложного вакуума" к моменту t_в = 10^-36 с полностью выделилась в форме рождения частиц материи с энергией до 10²⁵ эВ; инфляционное расширение Мини-Вселенной закончилась. Сверхраскаленный "пузырь" Мини-Вселенной распался из-за внутренней нестабильности на множество мелких областей - метагалактик, каждая из которых обладала своим уникальным набором физических характеристик, зависящих от времени инфляционного расширения Мини-Вселенной и ее размеров (рис. 79).

Рис. 79

Все основные физические характеристики нашей Метагалактики определились в первые мгновения ее существования.

С момента разделения Мини-Вселенной на множество метагалактик наша Метагалактика равномерно расширяется в пространстве, изменяя размеры по формуле: .

Молодая Метагалактика состояла из невообразимой смеси элементарных частиц и электромагнитного излучения при температуре (К) в состоянии термодинамического равновесия: плотность среды была настолько велика, что все физические процессы взаимодействия частиц происходили быстрее изменения условий протекания реакций. В результате непрерывных процессов взаимодействия элементарных частиц между собой и фотонами излучения появлялись и аннигилировали, взаимно уничтожаясь, превращаясь в излучение, пары сверхтяжелых частиц и античастиц; количество вещества превышало количество антивещества всего лишь на 1/1000000000!

По мере расширения Метагалактики уменьшалась плотность ее материи и энергия излучения, температура среды падала пропорционально расширению пространства: .

Энергии взаимодействия частиц и излучения не хватало для рождения пар частиц и античастиц, тождественных тем, что уже взаимно уничтожились. При температуре 10³⁰ К сверхтяжелые частицы Х- и У-бозоны распались на кварки и антикварки.

Избыток вещества над антивеществом был обусловлен взаимодействием сверхтяжелых частицы-лептокварков, сочетавших в себе свойства лептонов и барионов и способных изменять барионное число частиц, в эпохи "горячего" (при Т_{М »} 10²⁸ К) и "холодного" (Т_М » 10²⁴ К) бариосинтеза, до и после эпохи "пустыни взаимодействий", когда с момента возникновения Метагалактики прошло 10^-35 с.

Через 10^-4 с, при снижении температуры вещества Метагалактики до 10¹³ К кварки стали соединяться, образуя привычные нам частицы нуклоны (протоны и нейтроны), электроны и их античастицы.

С уменьшением температуры уменьшалось число тяжелых и увеличивалось число легких элементарных частиц. При температуре ниже 10¹³ К (t_M = 10^-5 c) "вымерла" большая часть протонов и антипротонов, при температуре ниже 10¹² К (t_M = 10^-3 c) "вымерли" мезоны. При температуре 10¹¹К Метагалактика состояла из "кипящей" первичной кварк-глюонной плазмы при концентрации энергии около 1 ГэВ/10^-15 м³ на и плотности среды 7× 10¹⁴ г/см³.

К этой эпохе (t_M = 10^-4 c, при R_M = 10^-15 м, r _M = 10¹⁴ г/см³) относятся первые материальные свидетельства - данные астрономических наблюдений и физических экспериментов, подтверждающие правоту данных теорий происхождения Метагалактики.

При температуре 1,6× 10¹⁰ К (t_M = 0,3 c) нейтрино "отделилось от вещества". Плотность среды понизилась (расстояние между элементарными частицами увеличилось) настолько, что нейтрино могли свободно перемещаться в пространстве, не взаимодействуя с частицами среды.

В это время протоны начинают взаимодействовать с нейтронами, присоединяя их и образуя атомные ядра - в основном, водорода () и гелия (), а также некоторое количество дейтерия, трития, лития и гелия-3. Данные астрономических наблюдений свидетельствуют об образовании атомных ядер даже некоторых тяжелых элементов: углерода, кислорода, бериллия, бора и азота, - возможно, при взаимодействии атомных ядер между собой, когда среднее расстояние между частицами равнялось размерам самих частиц:

и т. д.

При дальнейшем расширении Метагалактики температура упала ниже 10⁹ К и синтез атомных ядер прекратился, поскольку энергии фотонов и других частиц стало недостаточно для протекания этих реакций. В период времени от 10 до 100 с с момента возникновения метагалактики закончилась аннигиляция ("вымирание") электронно-позитронных пар.

Через 100 с после большого Взрыва Метагалактика состояла на 70-75% из протонов, электронов и других частиц, 25-30% из ядер гелия, и менее, чем на 1% из ядер более тяжелых элементов. С момента времени t_М = 10^-35 c температура вещества равнялась температуре излучения.

В этой плотной раскаленной плазме уже, вероятно, существовали случайные, разные по величине и массе "возмущения плотности" - сгустки и разрежения среды, которые миллионы лет спустя обусловили образование структуры современного мира.

Мы о них почти ничего не знаем. Возможно, самые ранние "возмущения плотности" были порождены микро-флуктуациями физического вакуума и распространением гравитационных волн в среде инфляционно расширяющейся Мини-Вселенной. В дальнейшем плотность и температура сгустков увеличивалась при их сжатии под действием сил тяготения и в то же время росло число фотонов, "уносивших" тепло и увлекавших за собой электроны и ионы. Микроскопические уплотнения рассасывались моментально, но более крупные распадались тем медленнее, чем больше была их масса. Возникновению и сохранению сгустков содействовало то, что при наличии отдельных уплотнений в разных точках пространства на каждый протон или нейтрон приходилось разное количество переносящих энергию фотонов. С понижением температуры и плотности среды уменьшалась вероятность образования новых "возмущений плотности", а старые сгустки продолжали рассасываться. Через сотни тысяч лет уцелели лишь те сгустки, чья начальная масса была больше 10⁵ М¤ - 10⁶ М¤ (рис. 80).

Через 10¹² с после Большого Взрыва температура Метагалактики понизилась до 4000 К. Протоны стали взаимодействовать с электронами, "захватывали" их: так возникли нейтральные атомы водорода и гелия. Обратный процесс ионизации происходил все реже, поскольку фотонов с высокой энергией становилось все меньше, а столкновение атомов в расширяющейся Метагалактике происходили все реже - среднее расстояние между частицами стало много больше их размеров. Электрически заряженные частицы плазмы взаимодействовали с электромагнитным излучением, а "нейтральный" газ был прозрачен для излучения и фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом и смогли свободно перемещаться в пространстве. Началась эпоха рекомбинации - разделения вещества и излучения. Свидетель той поры - реликтовое излучение в диапазоне от дециметровых до субмиллиметровых радиоволн, исходящее с почти одинаковой интенсивностью от любого участка небесной сферы. Красное смещение реликтового излучения z » 1000: за миллиарды лет расширения Метагалактики его температура понизилась с 4000 К до 2,725 К. На каждый атом вещества Метагалактики приходится свыше 100 млн. фотонов реликтового излучения; на каждый протон или нейтрон приходится около 10⁸ g -квантов.

Когда фотоны перестали взаимодействовать с веществом, резко понизилась обусловливаемая этим явлением упругость среды, и теперь лишь давление газа могло противостоять силе гравитационного сжатия. Уцелевшие сгустки вещества с массой 10⁵-10⁶ М¤ могли теперь беспрепятственно притягивать вещество из окружающего пространства, увеличивая свою массу, и сжиматься под действием сил тяготения.

Следы древнейших "возмущений плотности" возрастом около t_М = 300000 лет обнаружились в наличии микроколебаний температуры реликтового излучения (0,001 % от среднего его значения), исходящих от разных участков небесной сферы.

Развитие нелинейных возмущений привело к формированию современной крупномасштабной структуры Метагалактики. Характерный масштаб возмущений плотности в настоящее время имеет два максимума: меньший, соответствующий пространственному распределению скоплений галактик на расстояниях r₁ ~ 2× 10³/Н (Мпк), и больший для расстояний r₂ ~ 1,25× 10⁴/Н (Мпк), соответствующий пространственному распределению Сверхскоплений галактик, где Н – постоянная Хаббла.

Спустя миллион лет после Большого Взрыва, в послерекомбинационную эпоху, развитие гравитационной неустойчивости - увеличения плотности и скорости сжатия вещества под действием сил тяготения привело к обособлению в пространстве огромных сгустков вещества с массами более 10⁵ М¤ . Сила гравитации мешала им расширяться и рассеиваться в пространстве несмотря на то, что при их сжатии температура вещества возросла до 10⁶-10⁷ К. В результате действия гравитации движение вещества привело к возникновению плоских уплотнений вещества - "блинов" - сгустков-облаков толщиной во много раз меньше их ширины и длины. Процесс образования "блинов" почти не зависел от внешних условий и постепенно, на протяжение первых 3-4 миллиардов лет своего существования Метагалактика приобрела наблюдаемую ныне ячеистую структуру распределения вещества с типичным размером ячеек порядка наибольших размеров "блинов".

"Блины" массой до 10¹⁴ М¤ стали зародышами протогалактических скоплений. В их недрах происходили разнообразные тепловые и гидродинамические процессы, приводившие к распаду ("дроблению") "блинов" на мелкие, отдельные, плотные облака газа массой 10¹⁰-10¹² М¤ , из которых образовались протогалактики, преобразовавшиеся в галактики на протяжении последующего миллиарда лет. Большую роль в распаде "блинов" играла тепловая (термодинамическая) неустойчивость: области с повышенной плотностью вещества остывали быстрее своего окружения и сжимались не только под действием сил собственного тяготения, но и под давлением нагретого вещества из окружающего пространства (рис. 81).

Рис. 81.
F_Т - сила тяжести (направлена к центру облака);
F_Д1 - сила давления газа из окружающего облако пространства;
F_Д2 - сила давления газа внутри облака.

...Если считать, что с момента Большого Взрыва до настоящего времени прошел 1 год, можно составить следующий календарь событий этого года:

Новый Год, 1 января, 0h00m00s - Большой Взрыв
В тот же миг произошло возникновение Метагалактики
1 января, полдень		образовались первые атомы
Март		образовались первые галактики
Апрель		Образовалась наша Галактика
Июнь		процесс образования галактик в основном завершился
Сентябрь		Возникновение Солнца Возникновение Солнечной системы
Октябрь		Возникновение жизни(микроорганизмы)
Ноябрь		Микробиоты, возникновение фотосинтеза
Декабрь,	1-5	Образование кислородной атмосферы
	15	Первые многоклеточные
	20	Возникновение беспозвоночных
	26	Первые динозавры
	27	Первые млекопитающие
	28	Первые птицы
	29	Вымирание динозавров
	30	Первые приматы
	31 декабря, 14h	Рамапитек
	22h30m	Первые люди
Новый год 1 января, 00h00m03s - ХХ век.

Далее необходимо ознакомить учащихся с антропным принципом:

Важнейший антропный принцип обуславливает закономерность и неизбежность возникновения и развития жизни на Земле и, вероятно, на многих других землеподобных планетах Метагалактики.

"Я живу и мыслю - следовательно, мир такой, какой он есть", или по-другому, "Мы являемся свидетелями данных процессов потому, что другие процессы протекают без свидетелей" (А.Л. Зельдович). Физика Метагалактики максимально способствует возникновению жизни. Эволюция материи Метагалактики идет в направлении, обусловливающем неизбежное возникновение разумных существ.

Физическое пространство трехмерно и неразрывно связано с временем. В одномерном пространстве все физические системы абсолютно устойчивы - движение материи отсутствует. В четырехмерном и, тем более, n-мерном пространстве все физические системы абсолютно неустойчивы и атомы и молекулы существовать не могут.

Структура Метагалактики устойчива лишь при строго определенных значениях фундаментальных физических постоянных. Между ними и основными характеристиками Метагалактики есть неразрывная связь: .

Законы Всемирного тяготения и Кулона в общем случае имеют вид: , где n - число измерений пространства.

При изменении массы электрона (m_e = 9,10953× 10^-31 кг) всего в 2,5 раза все вещество Метагалактики превратилось бы в нейтроны и нейтрино. Изменение массы протона (m_p = 1,67265× 10^-27 кг) или нейтрона на 0,1% ведет к тем же последствиям. Для того, чтобы Метагалактика была именно такой, какой мы ее наблюдаем, значения фундаментальных физических постоянных не должны изменяться даже на 0,001%.

Например, при время существования Метагалактики было бы слишком мало для развития жизни, а при не могли бы образоваться галактики и звезды. Оптимальным является наблюдаемое соотношение .

Если гравитационная постоянная G будет чуть меньше, элементарный электрический заряд е^- чуть сильнее, электрон чуть массивнее (в пределах 0,01% от существующих величин), то все звезды превратятся в красные карлики; при таких же отклонениях в другую строну звезды станут голубыми гигантами.

Необходимое для появления жизни время не может быть меньше времени пребывания звезд на главной последовательности, связанным с возрастом (t_м) и массой (М_м) Метагалактики: .

Время жизни звезд наиболее оптимально - в десятки раз - превосходит время, необходимое для возникновения и развития жизни.

Устойчивость сложных молекул генетического хода живых организмов зависит от свойств химических связей, определяемых значением фундаментальных физических постоянных m_e, a _e и т.д. Эволюция материи в Метагалактике идет в направлении увеличения сложности структур и свойств объектов, начиная с количества атомов в основных элементах объектов и характера их взаимосвязи, с ускорением этого процесса во времени (рис. 82).

Существование и развитие объектов Метагалактики обусловлено внутренними динамическими процессами. Все возникающие объекты, от космических пылинок и туманностей, бактерий и людей, звезд, галактик и, по-видимому, всей Метагалактики в целом являются открытыми неравновесными системами, обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией. В ходе эволюции возникает способность к воспроизведению подобных объектов и усвоению ими благоприобретенных признаков и свойств.

С увеличением сложности структур упорядоченных систем возрастает их способность к накоплению, запоминанию и хранению информации. Информационная эволюция ускоряет темпы самоорганизации материи и идет в направлении уменьшения возможных наборов элементов, определяющих структуру и функционирование сложных систем. Наборы с наименьшим числом элементов легче восстанавливаются, передаются и тиражируются.

Для атомов число возможных комбинаций протонов и нейтронов в атомных ядрах равно числу изотопов (свыше 1500).

Для молекул возможное число наборов атомов равно количеству элементов таблицы Менделеева - около 100. Для полимеров в растворах – 5 пространственным конфигурациям.

Для живых организмов - количеству нуклеотидов в ДНК и РНК (4).

С увеличением сложности структур возрастает зависимость их существования и развития от физических и химических свойств среды и неизменности внешних условий.

например, температурные границы существования объектов:
- атомов - от 0,5–1 К до 10⁵ К (температура ионизации);
- молекул - от 2-3 К до 10⁴ К (температура диссоциации);
- твердотельных кластеров (объектов, содержащих минимальное число атомов для проявления всех макроскопических свойств данного вещества) - от 10-15К до 5× 10³К;
- микроорганизмов - от 200 К до 700 К;
- человека - от 308 К до 312 К.

Рис. 82. Эволюция материи в Метагалактике:
1. Атомные ядра
2. Атомы
3. Молекулы (наиболее сложные молекулы межзвездной среды содержат до 13 атомов)
4. Пылинки, частицы вещества, содержащие до 100 атомов
5. Гигантские молекулы-полимеры
6. Одноклеточные живые организмы
7. Хордовые (позвоночные)
8. Человек

Вышесказанное определяет условия, необходимые и достаточные для проявления и развития жизни, возможное время ее возникновения в Метагалактике и на Земле, основные темпы и направления эволюции живых организмов. Белковая жизнь могла возникнуть на землеподобных планетах у звезд II поколения 6 миллиардов лет назад (на Земле она возникла около 4 миллиардов лет назад). Первые цивилизации Метагалактики могли возникнуть (ориентировочно) 2 - 1,5 миллиарда лет назад.

Вероятность образования метагалактик, в которых могут существовать стабильные структуры - атомы, молекулы, планеты и звезды - ничтожно мала. Возможно, наша Метагалактика - единственная, в которой может существовать жизнь и разум, среди 10⁵ или даже 10¹⁰⁰ других метагалактик нашей Мини-Вселенной!

Завершает урок рассказ о возможных вариантах дальнейшего развития Метагалактики и определение Вселенной с точки зрения современной физики.

Дальнейшая эволюция Метагалактики зависит от ее массы и средней плотности вещества. Если средняя плотность Метагалактики r _М выше критической плотности r _к, где , r _к » 10^-29 г/см³, то расширение Метагалактики со временем прекратится и сменится ее сжатием до сингулярного состояния. Если r _M < r _к, Метагалактика будет неограниченно расширяться. Согласно последним данным, средняя плотность Метагалактики отличается от критической плотности не более чем на 12%.

В настоящее время средняя плотность галактического вещества r _г » 3× 10^-31 г/см³, однако масса каждой галактики много больше общей массы всех наблюдаемых в ней объектов. Видимое (наблюдаемое) вещество составляет менее 5% плотности Метагалактики, а невидимое, "темное", неизвестной природы, – свыше 95%! Первые попытки изучения распределения скрытого вещества в пространстве Метагалактики показали, что оно неоднородно и обладает сложной волокноподобной структурой.

Большинство ученых считает, что в зависимости от "скрытой массы" всех ненаблюдаемых в настоящее время объектов средняя плотность всех видов материи Метагалактики выше r _к и составляет от 0,1r _к до 1r _к. Вероятно, основной вклад в "скрытую массу" Метагалактики (до 90%) делают частицы нейтрино, обладающие массой 0,5-5 эВ. Оставшиеся 10 % "скрытой массы" могут составлять массивные, сильно поглощающие свет облака молекулярного водорода, коричневые карлики, остатки массивных звезд: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, многочисленные планетные тела и т.д. В настоящее время ученые исследуют большое число моделей Мини-Вселенной с разным соотношением и составом "горячего" (состоящего из микрочастиц с высокой энергией) и "холодного" скрытого вещества.

Неограниченное расширение Метагалактики (Вселенной)

Рис. 83. Основные этапы эволюции Вселенной

От соотношения r _M ¤ r _к зависит очень важная геометрическая характеристика Метагалактики - кривизна ее пространства. При r _{M ¤ r к} =1 она равна нулю, и для всей Метагалактики справедлива геометрия Евклида. При наблюдаемой r _M ~ r _к кривизна пространства очень мала и ее невозможно обнаружить современными приборами.

Возможные пути дальнейшей эволюции Метагалактики:

По мере исчерпания запасов межзвездного газа процесс звездообразования будет замедляться, пока не прекратится совсем.

"Звездный" этап эволюции нашей Галактики закончится через 10¹³ лет.
"Звездный" этап эволюции Метагалактики закончится через 10¹⁴ лет.

При случайных сближениях звезд происходят возмущения планетных орбит, в результате которого планеты могут покидать свои светила. Полный распад планетных систем завершится через 10¹⁷ лет.

В итоге гравитационного взаимодействия между собой звезды будут время от времени приобретать II космическую скорость относительно своих галактик и покидать их пределы, уменьшая массу галактик. В то же время другие звезды под действием сил тяготения будут стягиваться к центрам своих галактик, образуя там сверхмассивную, растущую черную дыру. Хотя массы центров галактик будут возрастать, их размеры уменьшатся и сила притяжения к ним будет слабеть, особенно во внешних зонах галактик, которые будут постепенно "рассасываться" в окружающем пространстве (рис. 84-85). Светимость галактик будет уменьшаться, они будут тускнеть и краснеть: их будут населять многочисленные красные, белые и черные карлики, нейтронные звезды, черные дыры и редкие красные гиганты.

Существенное изменение структуры нашей Галактики произойдет через 10¹⁵ лет.

Через 10¹⁹ лет все галактики полностью распадутся: 90 % звезд и других космических тел - продуктов звездной эволюции рассеются в пространстве, оставшаяся масса вещества сосредоточится в черных дырах.

За 10¹⁷ лет все белые карлики остынут до равновесной температуры 1-3 К; за 10¹⁹-10²⁰ лет до той же равновесной температуры 100 К остынут все нейтронные звезды, а температура реликтового излучения упадет до 10^-13-10^-20 К. Дальнейшее понижение температур затянется из-за выделения энергии при распаде элементарных частиц (протонов и нейтронов) на электроны, позитроны, фотоны и нейтрино.

Через 10³⁰-10³² лет все вещество Метагалактики полностью распадется, превратившись в излучение и электронно-позитронную плазму, а размеры ее будут в 10¹³-10²⁰ раз превышать современные. Останутся черные дыры, но и они не вечны: в результате квантовых эффектов они будут "испаряться" с образованием электромагнитного, нейтринного и гравитонного излучения. Черные дыры с массой 10 M¤ "испаряются" за время 10⁶⁹ лет; сверхмассивные черные дыры (M~10¹⁰ M¤ ) превратятся в излучение за 10⁹⁶ лет.

Рис. 85. Конечные этапы эволюции (распад) галактик

Через 10¹⁰⁰ лет Метагалактика будет состоять из крайне разреженной электронно-позитронной плазмы, с плотностью 1 частица на м³ пустого пространства!

Таков сценарий развития Метагалактики и Мини-Вселенной при их неограниченном, неостановимом расширении.

Другие варианты развития Мини-Вселенной предполагают постепенное замедление ее расширения и обращение процесса вспять: сжатие Мини-Вселенной вплоть до состояния сингулярности с последующим новым расширением. Масса и энергия замкнутой Мини-Вселенной не сохраняются. При уменьшении размеров Метагалактики длина волны некогда испущенных звездами фотонов уменьшается, а их энергия соответственно увеличивается и на определенной стадии сжатия Метагалактики начинает превышать свое начальное значение. Полная энергия Мини-Вселенной при сжатии больше, чем при ее расширении, поэтому каждый последующий цикл пульсации Мини-Вселенной Т_В продолжительнее предыдущего:

Рис. 86

Ввиду близости средней плотности вещества Метагалактики к критическому значению фаза сжатия сменит фазу расширения довольно поздно, не ранее, чем через 10²⁹-10³⁰ лет, когда Метагалактика будет состоять из электронно-позитронной плазмы, сверхмассивных черных дыр и немногочисленных остатков распадающихся белых карликов и нейтронных звезд. При сжатии Метагалактики фотоны нагревают, взрывают или испаряют эти звездные "огарки". Черные дыры интенсивно поглощают излучение и вещество, растут, сближаются и при столкновениях сливаются. Миллиарды лет спустя вся материя Мини-Вселенной сконцентрируется в единой Гипермассивной черной дыре, коллапсирующей вплоть до состояния сингулярности.

Рис. 87. Схема эволюции вечно воспроизводящей себя Вселенной. Точечные круги - Мини-Вселенные с плотностью материи 1074–1094 г/см3; с увеличением размеров плотность уменьшается

Теория осциллирующей (пульсирующей) Вселенной описывает многочисленные смены поколений Мини-Вселенных с возрастающими значениями r _в. Согласно этой теории, "вечно юная" Вселенная находится в основном в состоянии "кипящего" сверхплотного вакуума, постоянно рождающего новые миры (рис. 87).

Квантовые колебания вакуума - первичные нарушения однородности и изотропности инфляционной Мини-Вселенной изучал в последние годы жизни академик А.Д. Сахаров.

Если ввести понятие суперпространства, то можно с помощью введения волновой y -функции оценить вероятность возникновения (существования) Мини-Вселенной и метагалактик с тем или иным набором значений фундаментальных физических постоянных и разными формами физических законов: где R_м - радиус метагалактики, r _м - средняя плотность ее материи, - мнимая единица, j - вероятность существования данной Мини-Вселенной (метагалактики), Е - энергия, выделяющаяся при ее возникновении, D t - время ее существования.

Рис. 88

Возможные варианты решения отражены на графике (рис. 88). Каждая точка прямой - Мини-Вселенная с определенным набором фундаментальных физических постоянных.

Вышесказанное позволяет сформулировать новое определение Вселенной:

Вселенная - это физический вакуум n-мерной размерности, в котором спонтанно возникают Мини-Вселенные с различными наборами физических закономерностей и различными размерностями наборов взаимодействий между частицами и численными значениями фундаментальных физических постоянных.

tВ, с			r м, г/см3	Т, К
1040		Лептонная пустыня
	1038	Распад протонов и нейтронов на лептоны
1030		Все звезды превращаются в белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры
		Истощение запасов межзвездного газа и прекращение звездообразования
1020
	1018	Смерть Солнца		1
	1016	Современная эпоха Возникновение Солнечной системы, рождение Земли	10-30	2,7
		Рождение Солнца
		– эпоха нормальных галактик – эпоха активных галактик Образование галактик: – эпоха квазаров
	1012
1010		– Эпоха рекомбинации – Образование атомов, свет отделяется от вещества	10-12	4× 103 105
			0
	102	Образование ядер гелия	106
1	1	Образование ядер тяжелых элементов (Li, Be, B, O, N, C)	1012	1010
		Возникновение "возмущений плотности"
10-10		Выделяется слабое взаимодействие		1015
		Выделяется электромагнитное взаимодействие
10-20	10-5	Образование барионов и мезонов из кварков	1013	1020
		Появление кварков и антикварков Возникновение барионной ассиметрии		1025 1026
10-30		Распад Х- и У-бозонов
	10-33	– Возникновение Метагалактики –		1029
10-36		– Фаза инфляционного раздувания Мини-Вселенной – Выделяется сильное взаимодействие
10-40		Выделяется гравитационное взаимодействие
	10-43	Возникновение Мини-Вселенной возникновение классического пространства-времени	1074	1030
		Сингулярное состояние материи (фундаментальные взаимодействия неразличимы между собой)	1094
		БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ	¥

Рис. 89. Основные этапы эволюции Метагалактики 

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Публикации с ключевыми словами: методика преподавания - преподавание астрономии - наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача Публикации со словами: методика преподавания - преподавание астрономии - наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача

См. также: Иллюзия одинаковых цветов Очные курсы дополнительного образования "Астрономия в современной школе" Загадочные зелёные пятна в облаках Астероидно-кометная опасность – грозит ли нам "Армагеддон" ? Лекторий Планетария открывает двери Syfy Poehali Party в Политехническом музее Исследование кометы 2010 года по наблюдениям с космической орбитальной обсерватории SOHO. Все публикации на ту же тему >>