Номер 1, страница 287 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 8. Строение и эволюция Вселенной. Параграф 69. Спектр электромагнитного излучения. Темы докладов - номер 1, страница 287.

Условие.

1. Энергия во Вселенной.

Решение.

Энергия во Вселенной — это фундаментальное понятие, описывающее все её составляющие и взаимодействия между ними. Согласно современной космологической модели, полная энергия-масса Вселенной является ключевым параметром, определяющим её геометрию и эволюцию. Закон сохранения энергии, фундаментальный в физике, в космологических масштабах имеет свои особенности, но общая идея заключается в том, что энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда, а лишь переходит из одной формы в другую.

Основные компоненты энергии Вселенной

Современные наблюдения показывают, что Вселенная состоит из нескольких основных компонентов, каждый из которых вносит свой вклад в общую плотность энергии:

1. Обычная (барионная) материя: Это всё, что мы можем видеть и из чего состоим: звёзды, планеты, газ, пыль, живые организмы. Эта материя состоит из барионов (протонов, нейтронов) и лептонов (электронов). Её энергетический эквивалент определяется знаменитой формулой Эйнштейна $E=mc^2$, где $\text{m}$ — масса, а $\text{c}$ — скорость света. Несмотря на свою видимость, барионная материя составляет лишь очень малую часть всей энергии во Вселенной.

2. Тёмная материя: Это гипотетическая форма материи, которая не испускает и не отражает электромагнитное излучение, делая её невидимой для прямых наблюдений. Её существование подтверждается косвенными гравитационными эффектами: аномально высокой скоростью вращения галактик, гравитационным линзированием и структурой крупномасштабного распределения вещества. Тёмная материя взаимодействует с обычной материей только через гравитацию. Она составляет значительно большую часть массы Вселенной, чем барионная материя.

3. Тёмная энергия: Это наиболее загадочная и доминирующая форма энергии во Вселенной. Считается, что она равномерно распределена в пространстве и обладает отрицательным давлением. Именно тёмная энергия, согласно современным представлениям, является причиной наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. Её природа до сих пор неизвестна; основные гипотезы связывают её с энергией вакуума (космологической постоянной) или с неким динамическим полем (квинтэссенцией).

4. Излучение: Этот компонент включает в себя фотоны (частицы света) и нейтрино. Наиболее значимый вклад вносит реликтовое излучение (Cosmic Microwave Background, CMB) — "эхо" Большого взрыва. В ранней Вселенной плотность энергии излучения была доминирующей, но по мере расширения пространства фотоны теряли энергию (красное смещение), и их вклад в общую плотность энергии стал незначительным.

Энергетический баланс современной Вселенной

По последним данным, полученным с помощью наблюдений за реликтовым излучением (например, миссией "Планк"), крупномасштабной структурой и сверхновыми, энергетический бюджет Вселенной выглядит следующим образом:

• Тёмная энергия: примерно 68.3%
• Тёмная материя: примерно 26.8%
• Обычная (барионная) материя: примерно 4.9%

Вклад излучения (фотонов и нейтрино) в современную эпоху пренебрежимо мал, составляя около 0.01%.

Эволюция плотности энергии и Закон сохранения

Плотность энергии каждого компонента изменяется с расширением Вселенной по-разному. Если $\text{a}$ — это масштабный фактор (характеризующий относительный размер Вселенной), то:

• Плотность энергии излучения $\rho_{rad}$ уменьшается как $a^{-4}$ (один множитель $a^{-3}$ из-за увеличения объёма, и ещё один $a^{-1}$ из-за красного смещения, уменьшающего энергию каждого фотона).
• Плотность энергии материи (и тёмной, и барионной) $\rho_{m}$ уменьшается как $a^{-3}$ (масса сохраняется, а объём растёт).
• Плотность тёмной энергии $\rho_{\Lambda}$ остаётся примерно постоянной ($\rho_{\Lambda} \approx const$).

Из-за этих различий в эволюции плотностей, на разных этапах истории Вселенной доминировали разные компоненты: сначала излучение, затем материя, а в настоящее время — тёмная энергия.

Вопрос о законе сохранения энергии в расширяющейся Вселенной является нетривиальным. В локальных масштабах закон выполняется безупречно. Однако в масштабах всей Вселенной полная энергия не обязана сохраняться. Например, расширение пространства "растягивает" фотоны, уменьшая их энергию (космологическое красное смещение), и эта энергия никуда не передаётся. С другой стороны, постоянная плотность тёмной энергии означает, что по мере расширения пространства её полная энергия растёт. Это не нарушает фундаментальных законов, так как закон сохранения энергии в Общей теории относительности имеет более сложную формулировку, чем в классической физике.

Ответ: Энергия во Вселенной представлена несколькими формами: обычной материей (~5%), тёмной материей (~27%) и доминирующей тёмной энергией (~68%). Эти компоненты определяют структуру, динамику и ускоренное расширение Вселенной. Их плотность изменялась с течением времени, что приводило к смене доминирующих эпох в космологической истории.