Номер 1, страница 288 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 8. Строение и эволюция Вселенной. Параграф 70. Рождение и эволюция Вселенной. Вспомните - номер 1, страница 288.

Условие.

Как устроена наша Вселенная?

Решение.

Современная научная картина мира описывает Вселенную как огромную, развивающуюся структуру, подчиняющуюся фундаментальным физическим законам. Её устройство можно рассмотреть на нескольких уровнях: от масштабов и структуры до состава и возможного будущего.

Масштаб и общая структура

Наша Вселенная иерархически структурирована. Мы живем на планете Земля, которая вращается вокруг звезды по имени Солнце, образуя Солнечную систему. Солнечная система, в свою очередь, является частью огромного скопления звезд, газа и пыли — галактики Млечный Путь. Наша галактика, вместе с галактикой Андромеды и несколькими десятками меньших галактик, образует Местную группу.

Местная группа входит в состав еще более крупного образования — Сверхскопления Девы, которое, в свою очередь, является частью гигантской структуры под названием Ланиакея. На самых больших масштабах (сотни миллионов световых лет) Вселенная представляет собой так называемую "космическую паутину". Она состоит из гигантских пустот (войдов), окруженных длинными нитями (филаментами) и плоскими "стенами" из галактик и скоплений галактик. Несмотря на эту неоднородность, в еще больших масштабах Вселенная считается однородной и изотропной, что означает, что ее свойства в среднем одинаковы в любой точке и в любом направлении. Этот принцип называется космологическим.

Ответ: Вселенная имеет иерархическую структуру: от планетных систем и галактик до сверхскоплений и крупномасштабной космической паутины, состоящей из филаментов, стен и войдов.

Происхождение и эволюция

Согласно доминирующей научной теории, теории Большого взрыва, наша Вселенная возникла примерно 13.8 миллиарда лет назад из чрезвычайно горячего и плотного состояния. В первые мгновения после Большого взрыва она претерпела период сверхбыстрого расширения, называемый инфляцией. По мере расширения и остывания Вселенной начали формироваться элементарные частицы. В первые несколько минут в процессе первичного нуклеосинтеза образовались ядра легких элементов — в основном водорода и гелия.

Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно, чтобы электроны смогли объединиться с ядрами, образовав нейтральные атомы. Этот момент называется рекомбинацией. Вселенная стала прозрачной для света, и излучение, испущенное в ту эпоху, мы сегодня наблюдаем как реликтовое излучение (Cosmic Microwave Background, CMB). В последующие миллиарды лет под действием гравитации из небольших начальных флуктуаций плотности начали формироваться звезды, галактики и вся крупномасштабная структура, которую мы видим сегодня.

Ответ: Вселенная возникла около 13.8 млрд лет назад в результате Большого взрыва и с тех пор непрерывно расширяется и остывает, что привело к формированию атомов, звезд, галактик и крупномасштабных структур.

Состав Вселенной

Состав нашей Вселенной является одной из величайших загадок науки. Всё, что мы видим и с чем взаимодействуем — звезды, планеты, мы сами — состоит из обычной, или барионной, материи. Однако она составляет лишь около 5% от общей плотности энергии во Вселенной.

Остальные 95% приходятся на два загадочных компонента. Около 27% составляет темная материя — гипотетическая форма материи, которая не испускает и не поглощает электромагнитное излучение, поэтому ее невозможно наблюдать напрямую. Ее существование подтверждается косвенными данными, такими как гравитационное влияние на скорость вращения галактик и искривление света от далеких объектов. Оставшиеся 68% занимает темная энергия — еще более таинственная гипотетическая форма энергии, которая равномерно заполняет все пространство Вселенной и, как считается, ответственна за наблюдаемое ускоренное расширение.

Ответ: Вселенная на 5% состоит из обычной материи, на 27% — из невидимой темной материи, проявляющей себя через гравитацию, и на 68% — из темной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной.

Фундаментальные законы

Поведение и эволюция Вселенной описываются фундаментальными физическими законами. На макроскопическом уровне доминирует гравитация, которая описывается Общей теорией относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. ОТО рассматривает гравитацию не как силу, а как проявление искривления пространства-времени под действием массы и энергии. Эта теория с высокой точностью предсказывает движение планет, расширение Вселенной, существование черных дыр и гравитационных волн. Основное уравнение ОТО выглядит так: $ G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu} $, где $ G_{\mu\nu} $ — тензор Эйнштейна, описывающий кривизну пространства-времени, а $ T_{\mu\nu} $ — тензор энергии-импульса, описывающий материю.

На микроскопическом уровне взаимодействия частиц описываются Стандартной моделью физики элементарных частиц. Она описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий (сильное, слабое и электромагнитное) и классифицирует все известные элементарные частицы. Однако Стандартная модель неполна: она не включает гравитацию и не может объяснить существование темной материи и темной энергии.

Ответ: Вселенная управляется фундаментальными законами: Общей теорией относительности, описывающей гравитацию и крупномасштабную структуру, и Стандартной моделью, описывающей частицы и их взаимодействия на микроуровне.

Геометрия и судьба Вселенной

Геометрия Вселенной в целом определяется ее средней плотностью энергии ($\Omega$). Существует три основных варианта. Если плотность равна критической ($\Omega = 1$), Вселенная является плоской (евклидовой). Если плотность меньше критической ($\Omega < 1$), Вселенная открытая (имеет отрицательную кривизну). Если плотность больше критической ($\Omega > 1$), Вселенная замкнутая (имеет положительную кривизну) и в конечном итоге должна сжаться.

Современные наблюдения, особенно анализ реликтового излучения, показывают, что наша Вселенная с очень высокой точностью является плоской. Дальнейшая судьба Вселенной зависит от свойств темной энергии. Наиболее вероятный сценарий — "Большое замерзание" (или "тепловая смерть"). Вселенная будет продолжать расширяться с ускорением, звезды со временем выгорят, галактики разлетятся так далеко, что станут невидимы, и Вселенная превратится в холодное, темное и пустое пространство.

Ответ: Наша Вселенная, по-видимому, является геометрически плоской, а ее наиболее вероятное будущее — вечное ускоренное расширение, которое приведет к "тепловой смерти" или "Большому замерзанию".