Номер 9, 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 9, страница 217.

Условие.

• Энергия во Вселенной.

Решение.

Вопрос об энергии во Вселенной является одним из фундаментальных в современной космологии. Согласно закону сохранения энергии, полная энергия в замкнутой системе, какой является Вселенная, остается постоянной. Однако она может переходить из одной формы в другую, и состав энергетического баланса Вселенной менялся с течением времени.

Состав энергетического баланса Вселенной

Современные космологические наблюдения, в частности, данные по реликтовому излучению (миссия "Планк") и разбеганию галактик, позволяют оценить состав полной плотности энергии в наблюдаемой Вселенной. Он выглядит следующим образом:

Темная энергия (~68.3%): Это самая загадочная и доминирующая составляющая. Считается, что темная энергия равномерно распределена в пространстве и обладает отрицательным давлением, что приводит к ускоренному расширению Вселенной. Простейшей моделью темной энергии является космологическая постоянная (${\Lambda}$) в уравнениях Эйнштейна.

Темная материя (~26.8%): Это гипотетическая форма материи, которая не испускает и не отражает электромагнитное излучение, что делает ее невидимой для прямых наблюдений. Ее существование подтверждается косвенными данными, такими как гравитационное влияние на скорость вращения галактик, гравитационное линзирование и структура крупномасштабного распределения вещества.

Обычная (барионная) материя (~4.9%): Это вся материя, состоящая из протонов, нейтронов и электронов, из которой состоят звезды, планеты, газ, пыль и мы с вами. Несмотря на то, что это единственная непосредственно наблюдаемая форма материи, она составляет лишь малую часть Вселенной.

Излучение и нейтрино (~0.1%): На долю фотонов (в основном реликтового излучения) и нейтрино приходится очень малая часть общей плотности энергии в современную эпоху. Однако в ранней Вселенной именно излучение было доминирующей формой энергии.

Формы энергии и их эволюция

Энергия во Вселенной существует в различных формах, и их соотношение менялось по мере ее расширения и остывания.

1. Энергия покоя массы: Согласно знаменитой формуле Эйнштейна $E = mc^2$, масса является одной из форм энергии. Основной вклад в энергию Вселенной вносят темная и барионная материя именно через свою массу.

2. Энергия излучения: Энергия фотонов и других безмассовых частиц. Плотность этой энергии очень быстро убывала с расширением Вселенной (пропорционально $a^{-4}$, где $\text{a}$ – масштабный фактор), поэтому на ранних стадиях (в радиационно-доминированную эру) она преобладала, а сейчас ее вклад незначителен.

3. Кинетическая энергия: Энергия движения галактик, звезд и частиц.

4. Темная энергия: Ее природа неизвестна, но ее плотность, по-видимому, остается постоянной или меняется очень медленно по мере расширения Вселенной. Из-за этого, несмотря на то, что изначально ее вклад был ничтожен, со временем она стала доминирующей компонентой, что привело к началу эпохи ускоренного расширения (темноэнергетической эры).

Общая энергия Вселенной

Существует гипотеза, что полная энергия Вселенной может быть равна нулю. В этой картине положительная энергия массы и излучения ($E = mc^2$) в точности компенсируется отрицательной гравитационной потенциальной энергией. Гравитация, в отличие от других взаимодействий, может быть связана с отрицательной энергией. Если Вселенная является "плоской" (а наблюдения указывают именно на это с высокой точностью), то ее полная энергия, скорее всего, равна нулю. Это элегантное предположение объясняет, как Вселенная могла возникнуть из "ничего" (из состояния с нулевой энергией) без нарушения закона сохранения энергии.

Ответ: Энергия во Вселенной представляет собой сумму нескольких компонентов, доминирующими из которых в настоящее время являются темная энергия (около 68%) и темная материя (около 27%). Обычное вещество, из которого состоят звезды и планеты, составляет лишь около 5%. Эти компоненты существуют в различных формах (энергия покоя массы, энергия излучения, кинетическая энергия и сама темная энергия), и их соотношение менялось в процессе эволюции Вселенной. Согласно одной из ведущих гипотез, полная энергия Вселенной, с учетом отрицательной гравитационной потенциальной энергии, может быть равна нулю.