Номер 1, страница 204 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

1. Какие экспериментальные данные подтверждают расширение Вселенной? Чем объясняется красное смещение в спектрах галактик?

1. Основными экспериментальными данными, подтверждающими расширение Вселенной, являются:
• Красное смещение в спектрах галактик (закон Хаббла). В начале XX века астрономы, изучая спектры света от далеких галактик, обнаружили, что линии в этих спектрах смещены в красную (длинноволновую) сторону. Эдвин Хаббл в 1929 году установил, что это смещение (и, следовательно, скорость удаления галактики) тем больше, чем дальше от нас находится галактика. Эта зависимость, известная как закон Хаббла, является прямым наблюдательным свидетельством того, что Вселенная не статична, а расширяется.
• Реликтовое излучение (Cosmic Microwave Background, CMB). Это равномерное микроволновое фоновое излучение, заполняющее Вселенную, является "эхом" Большого взрыва. Его открытие в 1965 году и последующее детальное изучение (включая его почти идеальный спектр черного тела с температурой около $2,725$ К) стало мощнейшим подтверждением модели горячей расширяющейся Вселенной.
• Распространенность легких химических элементов. Наблюдаемое во Вселенной соотношение легких элементов (водорода, дейтерия, гелия-3, гелия-4, лития-7) точно соответствует предсказаниям теории первичного нуклеосинтеза. Этот синтез мог происходить только в условиях очень высокой температуры и плотности в первые несколько минут существования Вселенной, после чего расширение и охлаждение прекратили эти процессы.

Красное смещение в спектрах галактик объясняется космологическим красным смещением. В отличие от эффекта Доплера, который описывает смещение частоты из-за движения источника в пространстве, космологическое красное смещение возникает из-за расширения самого пространства-времени. Пока фотон света путешествует от далекой галактики к наблюдателю, пространство между ними расширяется. Это расширение "растягивает" длину волны фотона, смещая ее в красную часть спектра. Чем дольше свет находится в пути (то есть чем дальше от нас галактика), тем сильнее растягивается его волна и тем больше наблюдаемое красное смещение.

Ответ: Расширение Вселенной подтверждается тремя ключевыми наблюдательными фактами: красным смещением в спектрах далеких галактик (закон Хаббла), существованием реликтового излучения и наблюдаемой распространенностью легких элементов. Красное смещение объясняется растяжением длины волны света из-за расширения самого пространства-времени в процессе его путешествия от галактики-источника к наблюдателю.

2. Скорость удаления галактики определяется на основе закона Хаббла и измеренного красного смещения в ее спектре.

Согласно закону Хаббла, скорость удаления галактики $v$ прямо пропорциональна расстоянию до нее $r$:
$v = H \cdot r$
Здесь $H$ – это постоянная Хаббла, которая характеризует темп расширения Вселенной в текущую эпоху. Ее современное значение составляет примерно $70 \text{ (км/с)/Мпк}$. Таким образом, определив расстояние до галактики (например, с помощью стандартных свеч, таких как цефеиды или сверхновые типа Ia), можно вычислить ее скорость удаления.

Другой, более прямой способ — через измерение красного смещения $z$. Эта величина определяется как относительное изменение длины волны света:
$z = \frac{\lambda_{набл} - \lambda_{исп}}{\lambda_{исп}} = \frac{\Delta \lambda}{\lambda_{исп}}$
где $\lambda_{набл}$ – наблюдаемая длина волны спектральной линии, а $\lambda_{исп}$ – ее лабораторная (испущенная) длина волны.
Для скоростей, которые значительно меньше скорости света ($v \ll c$), скорость удаления галактики $v$ связана с красным смещением простой формулой (нерелятивистский эффект Доплера):
$v \approx z \cdot c$
где $c$ – скорость света. На практике астрономы измеряют красное смещение $z$ по спектру галактики и затем, используя более точные релятивистские формулы, вычисляют ее скорость.

Ответ: Скорость удаления галактики $v$ определяется либо по закону Хаббла через расстояние $r$ ($v = H \cdot r$), либо через красное смещение $z$. Для нерелятивистских скоростей используется формула $v \approx z \cdot c$, где $c$ – скорость света.