Версия 06:29, 27 марта 2012

Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Будущее Вселенной

                                                                              4.3.3. Будущее Вселенной

Факты  свидетельствуют  о  расширении Вселенной «во  все  стороны»  в  современну эпоху.  Будет  ли  этот  процесс  продолжаться  в дальнейшем?   Что  могло  бы  повлиять  на  скорость  расширения  и  возможно  ли  сжатие  Вселенной? Такие вопросы неизбежно встают после открытия Хаббла. Пытаясь  разобраться  в  ситуации «на  пальцах»,  физики  используют  самую простую модель Вселенной в виде изотропной и однородной сферы возрастающего радиуса R.



Мы  знаем,  что  реальная  Вселенная «в  разрезе»  похожа  на  губку  (см.  рис. 4.3),  но  это  в  данном  случае  большой  роли не играет. Достаточно ввести в рассмотрение среднюю плотность  вселенной. Масса вселенной М тогда будет равна плотности умноженной на объем сферы:



Выделим некоторую массу вещества m на краю вселенной. Выбранная материальная  точка  будет  обладать  кинетической  энергией  Wc  движения  со скоростью  V  и  потенциальной  энергией W   притяжения  к  центру масс  вселенной. Соответствующие выражения известны из школьного курса физики:



Ясно, что пока кинетическая энергия выше потенциальной, выделенная нами масса вещества m должна удаляться от центра вселенной. Выразим массу вселенной по (4.4), возьмем отношение двух энергий и заменим скорость V произведением постоянной Хаббла на радиус вселенной:



Как видно, величина отношения не  зависит от размера вселенной и прямо пропорциональна средней плотности вселенной . К порциональности  определяется  отношением  гравитационной  постоянной  к квадрату постоянной Хаббла. Комбинацию  величин,  стоящих  как  сомножитель в формуле (4.6) перед средней плотностью , можно заменить одной новой константой *

Физический смысл введенной константы в том, что ее величина определяет значение плотности вселенной, при которой отношение двух энергий равно  единице.  Если  среднее  значение  плотности  вещества  во  вселенной меньше  критического  значения  *,  то  преобладает  кинетическая  энергия  и вселенная  будет  только  расширяться.  Наоборот,  если  плотность  вселенной выше критического значения, то постепенно процесс расширения перейдет в процесс сжатия, коллапса вселенной. Третий вариант, когда выполняется равенство критического  значения и реальной плотности вселенной, соответствует постепенному  замедлению  расширения  без обращения процесса  к  коллапсу. Здесь V > 0 в пределе, когда время  t >  



Различие сценариев будущего Вселенной более наглядно представляется тремя качественными графиками на рис. 4.12. Как видим, выбор пути эволюции Вселенной связан с численным значением *, а  оно  определяется  величиной гравитационной  постоянной (которую  мы знае высокой  точностью) и  величиной постоянной  Хаббла  (погрешность  оценки которой велика). Если принять нижнее значение  Н = 50  км/( с.Мпс),  то  р* = 5.10^-27кг/м³,  для  верхней  оценки  Н  =  100 км/(с.Мпс)  значение критической  плотности будет в два раза больше приведенного. 

Безразмерный  параметр  ,  указанный  возле  кривых,  показывает  величину отношения  наблюдаемой  средней  плотности  и  критического  значения  = / *. Чтобы  сделать прогноз дальнейшего развития Вселенной, необходимо  экспериментально  определить  численное  значение  средней  плотности Вселенной. В настоящее время использованы несколько методов косвенных  измерений  плотности  вещества  в  различных  по  размеру  областях  вселенной. Все они основаны на законе всемирного тяготения Ньютона. В первом методе  были  использованы  результаты  долговременных (с  использованием  астрономических  архивов)  наблюдений  за  вращением  спиральных  галактик. По периоду  вращения и измеренным  скоростям  определялась масса видимого  вещества  для  нескольких  различных  галактик  и  вычислялось  усредненное  значение массы  одной  галактики. По порядку величины она считается равной 10¹¹ масс Солнца. Оценив среднее число галактик по видимому объему Вселенной, рассчитали  величину плотности и получили оценку 0,01. Однако темное вещество галактик в этом случае не было учтено. Более точная  оценка  получена  при  анализе  движения  двух  галактик (в  том  числе вращения Большого Магелланового  облака  вокруг Млечного пути). Как  отмечалось выше, это приводит к выявлению гравитирующего темного вещества галактик, масса которого на порядок выше видимой массы, и оценка параметра изменилась до значения 0,1. Следующим приближением является  учет  статистического  распределения  масс  галактик в  их  скоплениях.  С учетом  спектра  масс  во  Вселенной  и  возможного  открытия  объектов  типа Великого  аттрактора наиболее  современные оценки приводят к  выводу, что 1. Во всяком случае, считается достоверной оценка < 0,9. А это означает, что еще много миллиардов лет Вселенная «способна» расширяться. При сохранении нынешнего темпа расширения за каждые 20 млрд. лет расстояние между  галактиками будет увеличиваться в два раза. Так как величина параметра омега  приближается  к  единице,  возможно,  что  скорость  расширения будет  временем уменьшаться. Коллапсирование Вселенной пока считается менее вероятным. Однако  следует  учитывать,  что  каждое  уточнение  значений постоянной Хаббла и средней плотности вещества во Вселенной приводит  к уточнению величины параметра и прогноз последующей эволюции может быть изменен.
 

Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.