Номер 2, страница 285 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 8. Строение и эволюция Вселенной. Параграф 68. Физическая природа Солнца и звёзд. Темы докладов - номер 2, страница 285.

Условие.

2. Загадки Вселенной.

Решение.

Вселенная полна явлений и объектов, природа которых до сих пор остаётся не до конца понятной для современной науки. Эти загадки стимулируют развитие физики и астрономии, заставляя учёных искать новые теории и проводить всё более сложные эксперименты. Ниже рассмотрены некоторые из самых главных загадок Вселенной.

Чёрные дыры

Чёрная дыра — это область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, включая сам свет. Граница этой области называется горизонтом событий. Радиус горизонта событий для невращающейся чёрной дыры (радиус Шварцшильда) определяется её массой $\text{M}$ по формуле $R_s = \frac{2GM}{c^2}$, где $\text{G}$ — гравитационная постоянная, а $\text{c}$ — скорость света. В центре чёрной дыры, согласно общей теории относительности, находится сингулярность — точка с бесконечной плотностью и кривизной пространства-времени, где известные законы физики перестают работать. Чёрные дыры образуются в результате коллапса очень массивных звёзд, а сверхмассивные чёрные дыры находятся в центрах большинства галактик, включая наш Млечный Путь. Основные загадки, связанные с чёрными дырами, — это информационный парадокс (что происходит с информацией об объектах, падающих за горизонт событий, ведь согласно квантовой механике информация не может исчезнуть бесследно), а также природа сингулярности и внутреннее устройство чёрной дыры, для описания которого требуется теория квантовой гравитации.

Ответ: Чёрные дыры — это объекты с гравитацией настолько сильной, что из них не может вырваться даже свет. Главные загадки связаны с судьбой информации, поглощённой чёрной дырой (информационный парадокс), и природой сингулярности в её центре, где законы физики перестают действовать.

Тёмная материя

Тёмная материя — это гипотетическая форма материи, которая не испускает и не отражает электромагнитное излучение, что делает её невидимой для прямого наблюдения. Однако её существование подтверждается косвенными гравитационными эффектами. Наблюдения показывают, что звёзды на окраинах галактик вращаются с аномально высокими скоростями, которые невозможно объяснить массой видимого вещества (звёзд, газа и пыли). Это указывает на наличие невидимой массы, создающей дополнительную гравитацию. Другими доказательствами являются эффекты гравитационного линзирования (искажение света от далёких объектов гравитацией скоплений галактик, которое сильнее, чем должно быть) и особенности реликтового излучения. Тёмная материя составляет около 27% массы-энергии Вселенной, в то время как обычная (барионная) материя — всего около 5%. Главная загадка тёмной материи заключается в её составе. Учёные предполагают, что она может состоять из ещё не открытых частиц, таких как вимпы (WIMPs) или аксионы, но многочисленные эксперименты по их прямому обнаружению пока не дали результатов.

Ответ: Тёмная материя — это невидимое вещество, которое проявляет себя только через гравитационное взаимодействие и составляет большую часть массы во Вселенной. Её природа и состав остаются одной из величайших загадок современной физики.

Тёмная энергия

Тёмная энергия — это ещё более загадочная субстанция, введённая для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. В конце XX века астрономы обнаружили, что далёкие галактики удаляются от нас с возрастающей скоростью, что противоречило ожиданиям, согласно которым гравитация должна замедлять расширение. Тёмная энергия обладает отрицательным давлением (антигравитацией) и равномерно распределена по всему пространству. По современным оценкам, на её долю приходится около 68% всей энергии во Вселенной. Самым простым объяснением тёмной энергии является космологическая постоянная ($\Lambda$), введённая Эйнштейном в уравнения общей теории относительности. Она представляет собой внутреннюю энергию вакуума. Однако теоретические расчёты её величины, основанные на квантовой теории поля, расходятся с наблюдаемым значением на десятки порядков. Альтернативные гипотезы, такие как квинтэссенция (динамическое поле), также рассматриваются, но не имеют убедительных подтверждений. Природа тёмной энергии и причина ускоренного расширения Вселенной — ключевые нерешённые проблемы космологии.

Ответ: Тёмная энергия — это гипотетическая форма энергии, вызывающая ускоренное расширение Вселенной. Её природа неизвестна, и это одна из фундаментальных загадок, так как она составляет большую часть всей энергии во Вселенной.

Барионная асимметрия Вселенной

Эта загадка заключается в том, почему наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из вещества (материи) и практически не содержит антивещества (антиматерии). Согласно стандартной космологической модели, в результате Большого взрыва должно было образоваться равное количество частиц и античастиц. При встрече материя и антиматерия аннигилируют, превращаясь в излучение. Если бы их было поровну, то после аннигиляции Вселенная состояла бы в основном из фотонов, а не из звёзд, планет и галактик. Наблюдения показывают, что на каждый миллиард пар частица-античастица приходилась одна "лишняя" частица вещества. Именно этот крошечный избыток и составил всю материю, которую мы видим сегодня. В 1967 году академик Андрей Сахаров сформулировал три условия, необходимых для возникновения такой асимметрии (нарушение барионного числа, нарушение C- и CP-симметрии и отклонение от термодинамического равновесия). Хотя эти условия частично выполняются в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц, наблюдаемого эффекта недостаточно для объяснения столь значительной асимметрии. Для решения этой проблемы, вероятно, требуется новая физика за пределами Стандартной модели.

Ответ: Загадка барионной асимметрии заключается в том, почему Вселенная состоит из материи, а не из равных частей материи и антиматерии, как предсказывает теория. Причины возникновения этого дисбаланса в ранней Вселенной до сих пор не ясны.