Номер 1, страница 214 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

1. Какие факты подтверждали концепцию расширения Вселенной?

Концепция расширения Вселенной, являющаяся краеугольным камнем современной космологии, подтверждается несколькими фундаментальными наблюдательными фактами. Эти факты не только свидетельствуют о том, что Вселенная не статична, но и позволяют описать ее эволюцию с момента Большого Взрыва.

1. Красное смещение и закон Хаббла-Леметра

В 1920-х годах астрономы, в первую очередь Жорж Леметр и Эдвин Хаббл, обнаружили, что спектры света от далеких галактик смещены в красную сторону. Это явление, известное как "красное смещение", аналогично эффекту Доплера: когда источник волн удаляется от наблюдателя, воспринимаемая длина волны увеличивается (смещается к красному концу спектра для света). Было установлено, что величина красного смещения, а следовательно, и скорость удаления галактики ($\text{v}$), прямо пропорциональна расстоянию до нее ($\text{r}$). Эта зависимость получила название закона Хаббла-Леметра и математически выражается формулой: $v = H_0 \cdot r$, где $H_0$ — постоянная Хаббла. Этот закон является самым прямым доказательством того, что пространство между галактиками расширяется, заставляя их "разбегаться" друг от друга. Чем дальше галактика, тем больше пространства между нами и ней, и тем быстрее это пространство расширяется, увеличивая скорость удаления.

2. Реликтовое излучение

Теория расширяющейся Вселенной предсказывала, что в прошлом Вселенная была намного горячее и плотнее. Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно для того, чтобы протоны и электроны смогли объединиться в нейтральные атомы водорода (эпоха рекомбинации). С этого момента Вселенная стала прозрачной для света. Фотоны, существовавшие в ту эпоху, с тех пор беспрепятственно путешествуют в пространстве. Из-за расширения Вселенной их длина волны увеличилась, а энергия уменьшилась. Сегодня это излучение наблюдается во всех направлениях как равномерный фон микроволнового излучения, соответствующий температуре абсолютно черного тела около 2,725 Кельвина. Это излучение, называемое реликтовым или космическим микроволновым фоновым, было случайно открыто Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 году и стало мощнейшим подтверждением теории горячей расширяющейся Вселенной.

3. Распространенность легких химических элементов

Модель Большого Взрыва и последующего расширения также позволяет с высокой точностью рассчитать состав Вселенной в первые минуты ее существования (процесс первичного нуклеосинтеза). Теория предсказывает, что по массе вещество ранней Вселенной должно было состоять примерно на 75% из водорода и на 25% из гелия-4, с очень небольшими примесями дейтерия, гелия-3 и лития. Астрономические наблюдения за химическим составом самых старых звезд и далеких газовых облаков, вещество которых еще не претерпело значительных изменений в результате звездных процессов, показывают поразительное совпадение с этими теоретическими предсказаниями. Это согласие является сильным аргументом в пользу того, что Вселенная действительно прошла через горячую и плотную стадию, после которой началось расширение и остывание.

Ответ:

Концепцию расширения Вселенной подтверждают три основных наблюдательных факта: 1) красное смещение в спектрах далеких галактик, которое описывается законом Хаббла-Леметра ($v = H_0 \cdot r$) и свидетельствует о "разбегании" галактик; 2) существование реликтового излучения — остывшего "эха" Большого взрыва с температурой около 2,7 К; 3) наблюдаемая распространенность легких элементов (водорода, гелия), которая совпадает с предсказаниями теории первичного нуклеосинтеза в горячей ранней Вселенной.