Гравитация и Вселенная - ГРАВИТАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Цель урока:

Сформировать понятие галактики. Сформулировать закон Хаббла.

Ход урока

I. Анализ самостоятельной работы

II. Повторение

- Какое взаимодействие называют гравитационным?

- Посредством чего осуществляется гравитационное взаимодействие?

- Сформулируйте закон всемирного тяготения. Для каких тел он справедлив?

- В чем заключается физический смысл гравитационной постоянной?

- Кем впервые были проделаны точные измерения этой постоянной?

- Какую силу называют силой тяжести?

- Что такое поле тяжести?

- По какой формуле следует находить силу тяжести, если тело находится вблизи поверхности Земли?

- Что называют свободным падением?

- От чего зависит ускорение свободного падения?

- Что такое перегрузка?

III. Изучение нового материала

Мир, Земля, Космос, Вселенная...

Тысячелетиями пытливое человечество обращало свои взгляды на окружающий мир, стремилось постигнуть его, вырваться за пределы микромира в макромир.

Что есть Земля, Луна, Солнце, звезды? Где начало и где конец Вселенной, как долго она существует, из чего состоит и где границы ее познания?

Изучение Вселенной, даже только известной нам ее части, является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.

Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка Вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна так, как она является вечно самодвижущейся материей.

Вселенная - это все существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука так или иначе изучает Вселенную, точнее, те или иные ее стороны. Химия изучает мир молекул, физика - мир атомов и элементарных частиц, биология - явления живой природы. Но существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама Вселенная или «Вселенная как целое». Это особая отрасль астрономии - так называемая космология. Космология - учение о Вселенной в целом, включающая в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области, как части Вселенной (кстати, не следует смешивать понятия Вселенной в целом и «наблюдаемой», видимой Вселенной). Во втором случае речь идет лишь о той ограниченной области пространства, которая доступна современным методам научных исследований. С развитием кибернетики в различных областях научных исследованиях приобрели большую популярность методики моделирования. Сущность этого метода состоит в том, что вместо того или иного реального объекта изучается его модель, более или менее точно повторяющая оригинал или его наиболее важные и существенные особенности. Модель не обязательно вещественная копия объекта. Построение приближенных моделей различных явлений помогает нам все глубже познавать окружающий мир. Так, например, на протяжении длительного времени астрономы занимались изучением однородной и изотропной (воображаемой) Вселенной, в которой все физические явления протекают одинаковым образом и все законы остаются неизменными для любых областей и в любых направлениях. Изучались также модели, в которых к этим двум условиям добавлялось третье, - неизменность картины мира. Это означает, что в какую бы эпоху мы не созерцали мир, он всегда должен выглядеть в общих чертах одинаково. Эти во многом условные и схематические модели помогли осветить некоторые важные стороны окружающего нас мира. Но! Как бы сложна ни была та или иная теоретическая модель, какие бы многообразные факты она ни учитывала, любая модель - это еще не само явление, а только более или менее точная его копия, так сказать образ реального мира. Поэтому все результаты, полученные с помощью моделей Вселенной необходимо проверить путем сравнения с реальностью. Нельзя отождествлять само явление с моделью. Нельзя без тщательной проверки приписывать природе те свойства, которыми обладает модель. Ни одна из моделей не может претендовать на роль точного «слепка» Вселенной.

Звезды во Вселенной объединены в гигантские Звездные системы, называемые галактиками.

Число звезд в галактике порядка 101¹². Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд, опоясывающая все небо, составляет основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. В общем наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефеиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) - расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1°, 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3 · 10¹³ км) или 100000 световых лет (световой год - расстояние пройденное светом в течение года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк - гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует обычным визуальным и фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид.

Масса нашей галактики оценивается сейчас разными способами и равна примерно 2 · 10¹¹ масс Солнца (масса Солнца равна 2 · 10³⁰ кг), причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астроном В. В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру галактики, причем оказалось, что мы живем в пространстве между двумя спиральными ветвями, бедном звездами.

В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом, можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления. Существует два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые.

Рассеянные скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией к центру. Шаровые же скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений - несколько парсек. Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звезд к центру - десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних должно быть десятки тысяч.

Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Светлые они от того, что их освещают близлежащие звезды.

Эдвин Пауэлла Хаббл (1889-1953), выдающийся американский астроном- наблюдатель, избрал самый простой метод классификации галактик по внешнему виду. Не смотря на то, что в классификацию были внесены впоследствии некоторые дополнения, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остается основой классификации галактик.

Хаббл предложил разделить все галактики на три вида:

1. Эллиптические Е (elliptical);

2. Спиральные S (Spiral);

3. Неправильные I (irregular).

Теоретическое моделирование имеет важное значение так же и для выяснения прошлого и будущего наблюдаемой Вселенной. В 1922 г. А.А. Фридман занялся разработкой оригинальной теоретической модели Вселенной. Он предположил, что средняя плотность не является постоянной, а меняется с течением времени. Фридман пришел к выводу, что любая достаточно большая часть Вселенной, равномерно заполняемая материей, не может находиться в состоянии равновесия; она должна либо расширяться; либо сжиматься. Еще в 1917 г. В.М. Слайдер обнаружил «красное смещение» спектральных линий в спектрах далеких галактик. Подобное смещение наблюдается тогда, когда источник света удаляется от наблюдателя. В 1929 г. Э. Хаббл объяснил это явление взаимным разбеганием этих звездных систем.

Открытый Хабблом закон гласит, что Вселенная расширяется таким образом, что скорость v, с которой галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию R между ними:

v = HR,

где - постоянная Хаббла.

Физический смысл этой постоянной заключается в том, что две галактики, находящие на расстоянии 1 Мпк, удаляются друг от друга со скоростью 65 км/с.

В настоящее время известны галактики, удаляющиеся от нас со скоростью 0,46 скорости света. А сверхзвезды и квадры - 0,85 скорости света. Но почему они движутся? На галактики постоянно действует какая-то сила. В отдаленном прошлом материя в нашей области Вселенной находилась в сверхплотном состоянии. Затем произошел «взрыв», в результате которого и началось расширение. Чтобы выяснить дальнейшую судьбу метагалактики, необходимо оценить среднюю плотность межзвездного газа. Если она выше 10 протонов на 1м³, то общее гравитационное поле метагалактики достаточно велико, чтобы постепенно остановить расширение. И оно сменится сжатием.

Вся охваченная современными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В Метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным межгалактическим газом, пронизывается космическими лучами, в нем существуют магнитные и гравитационные поля, и возможно невидимые массы веществ.

От наиболее удаленных метагалактических объектов свет идет до нас много миллионов лет. Но нет оснований утверждать, что Метагалактика это вся Вселенная. Возможно, существуют другие, пока не известные нам Метагалактики.

Мы живем в расширяющейся Метагалактике. Расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик. Метагалактика имеет одну особенность: не существует центра, от которого разбегаются галактики. Удалось вычислить промежуток времени с начала расширения метагалактики.

Промежуток расширения равен 20-13 млрд. лет. Расширение Метагалактики является самым грандиозным из известных в настоящие время явлений природы. Есть предположение, что расширение Метагалактики также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества, обладающего огромной температурой и плотностью. Расчеты, выполненные астрофизиками, свидетельствуют о том, что после начала расширения вещество Метагалактики имело высокую температуру и состояло из элементарных частиц (нуклонов) и их античастиц. По мере расширения изменилась не только температура и плотность вещества, но и состав входивших в него частиц, т. е. многие частицы и античастицы аннигировали, порождая при этом электромагнитные излучения, которых в современной нам Метагалактике оказалось больше, чем атомов, из которых состоят звезды, планеты. Эта теория называется теорией «горячей Вселенной».

Все эти данные удалось получить только с помощью уникального, сложного оборудования, позволяющего расширить границы Вселенной. До сих пор человечество совершенствует его, изобретая все более гениальные приборы, но еще на заре цивилизации, когда пытливый человеческий ум обратился к заоблачным высотам, великие философы мыслили свое представление о Вселенной, как о чем-то бесконечном.

Великий немецкий ученый, философ Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, представляя Вселенную бесконечной в особом смысле. Он обосновал возможность и значительную вероятность возникновения такой Вселенной исключительно под действием механических сил притяжения и отталкивания, и попытался выяснить дальнейшую судьбу этой Вселенной на всех ее масштабных уровнях - начиная с планетной системы и кончая миром туманности.

Эйнштейн совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию относительности. Это было сравнительно просто, как и все гениальное. Ему не пришлось предварительно открыть новые явления, установить количественные закономерности. Он лишь заменил теорию абсолютности пространства и времени идеей их относительности. Открылся путь для дальнейшего проникновения в свойства и законы окружающего мира, настолько глубоко, что сам Эйнштейн не сразу осознал степень революционности своей идеи.

В статье от 30 июня 1905 г., заложившей основы специальной теории относительности. Эйнштейн, обобщая принципы относительности Галилея, провозгласил равноправие всех инерциальных систем отсчета не только в механических, но также электромагнитных явлений.

Впервые принципиально новые космологические следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик-теоретик Александр Фридман (1888-1925). Фридман привел две модели Вселенной. Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далеких галактик в эффекте «красного смещения» в их спектрах.

Этим Фридман доказал, что вещество во Вселенной не может находиться в покое. Своими выводами Фридман теоретически способствовал открытию необходимости глобальной эволюции Вселенной.

Существует несколько теорий эволюции:

Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т. к. его остановит гравитация. По этой теории наша Вселенная расширяется в течение 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится и произойдет остановка, а затем она начнет сжиматься до тех пор, пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.

Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Она все время прибывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющихся галактик. По этой причине Вселенная всегда одинакова. Но если Вселенная, начало которой положил взрыв, будет расширяться до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет.

Но пока ни одна из этих теорий не доказана, т. к. на данный момент не существует никаких точных доказательств хотя бы одной из них. Открытие многообразных процессов эволюции в различных системах и телах, составляющих Вселенную, позволило изучить закономерности космической эволюции на основе наблюдаемых данных и теоретических расчетов.

В качестве одной из важнейших задач рассматривается определение возраста космических объектов и их систем. Факт взаимного удаления галактик, составляющих Метагалактики, свидетельствует о том, что некоторое время тому назад она находилась в качественно ином состоянии, и была более плотной.

Из всех вышеперечисленных доказательств можно с уверенностью сделать вывод: Вселенная эволюционирует, бурные процессы происходили в прошлом, происходят сейчас и будут происходить в будущем.

IV. Вопросы на закрепление:

- Сколько звезд в нашей галактике?

- С какой скоростью Солнце движется вокруг центра галактики?

- За какое время свет проходит расстояние, равное 1 Мпк?

- Сформулируйте закон Хаббла.

- От чего зависит будущее Вселенной? Будет ли она расширятся вечно?

Домашнее задание

1. Выучить § 48;

2. Задачи № 182, 183, 184, 185.