Номер 1, страница 217, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 12. Строение и эволюция вселенной. Параграф 115. Решение задач. Темы исследовательских и проектных работ - номер 1, страница 217.

Условие.

• Расширяющаяся Вселенная.

Решение.

Решение

Концепция расширяющейся Вселенной — это фундаментальное положение современной космологии, согласно которому расстояния между удалёнными друг от друга, гравитационно не связанными объектами (такими как скопления галактик) со временем увеличиваются. Важно понимать, что это не галактики разлетаются в стороны от некоего центра в уже существующем пространстве, а расширяется сама ткань пространства-времени, увлекая за собой галактики.

1. Открытие расширения Вселенной

Теоретическая возможность расширения Вселенной впервые была показана в 1922 году советским математиком Александром Фридманом, который нашёл нестационарные решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Позже, в 1927 году, бельгийский астроном и священник Жорж Леметр независимо пришёл к таким же выводам и предположил, что Вселенная имела начало в виде «первоатома», заложив основы теории Большого взрыва.

Экспериментальное подтверждение этой теории было получено в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабблом. Наблюдая за спектрами далёких галактик, он обнаружил, что их спектральные линии систематически смещены в красную сторону. Это явление, известное как «красное смещение», является аналогом эффекта Доплера и указывает на то, что галактики удаляются от нас. Хаббл также установил, что скорость удаления галактики тем больше, чем дальше она от нас находится.

Ответ: Расширение Вселенной было теоретически предсказано А. Фридманом и Ж. Леметром на основе общей теории относительности и экспериментально подтверждено в 1929 году Э. Хабблом, который обнаружил красное смещение в спектрах далёких галактик, свидетельствующее об их удалении.

2. Закон Хаббла-Леметра

Закономерность, открытая Хабблом, была сформулирована в виде закона, который гласит, что скорость удаления галактики ($\text{v}$) прямо пропорциональна расстоянию до неё ($\text{d}$):

$v = H_0 d$

где $H_0$ — это коэффициент пропорциональности, названный постоянной Хаббла. Он характеризует темп расширения Вселенной в нашу эпоху. Современные измерения дают значение $H_0$ в диапазоне примерно 67–74 км/с на мегапарсек. Это означает, что объект, находящийся на расстоянии 1 мегапарсек (около 3,26 млн световых лет), удаляется от нас со скоростью ~70 км/с.

Ответ: Закон Хаббла-Леметра ($v = H_0 d$) математически описывает расширение Вселенной, устанавливая прямую пропорциональность между скоростью удаления галактики и расстоянием до неё.

3. Суть расширения: аналогия с воздушным шаром

Чтобы понять, что именно расширяется, часто используют аналогию с надувающимся воздушным шаром, на поверхности которого нарисованы точки (галактики). Когда шар надувают, его поверхность (пространство) растягивается, и расстояние между всеми точками увеличивается. При этом сами точки не становятся больше, и у этого расширения нет центра на поверхности. Для наблюдателя в любой «галактике»-точке будет казаться, что все остальные удаляются от него.

Таким образом, расширяется само пространство. Гравитация на меньших масштабах (внутри галактик, звёздных систем) сильнее космологического расширения, поэтому планеты не улетают от своих звёзд, а сами галактики не увеличиваются в размерах.

Ответ: Расширяется сама ткань пространства-времени, что приводит к увеличению расстояний между гравитационно несвязанными объектами. Сами объекты, удерживаемые гравитацией, не расширяются.

4. Ускоренное расширение и тёмная энергия

До конца XX века считалось, что гравитационное притяжение всей материи во Вселенной должно замедлять её расширение. Однако в 1998 году две независимые группы астрономов, изучая яркость далёких сверхновых звёзд типа Ia, пришли к поразительному выводу: расширение Вселенной не замедляется, а, наоборот, ускоряется.

Для объяснения этого феномена была введена концепция «тёмной энергии» — гипотетической формы энергии, обладающей отрицательным давлением («антигравитацией») и равномерно распределённой в пространстве. Согласно стандартной космологической модели (ΛCDM), тёмная энергия составляет около 68% всей энергии-массы Вселенной и является движущей силой её ускоренного расширения.

Ответ: Наблюдения конца 1990-х годов показали, что расширение Вселенной ускоряется. Предполагается, что причиной этого является тёмная энергия — доминирующая компонента Вселенной, обладающая антигравитационными свойствами.