Разделы презентаций
- Разное
- Английский язык
- Астрономия
- Алгебра
- Биология
- География
- Геометрия
- Детские презентации
- Информатика
- История
- Литература
- Математика
- Медицина
- Менеджмент
- Музыка
- МХК
- Немецкий язык
- ОБЖ
- Обществознание
- Окружающий мир
- Педагогика
- Русский язык
- Технология
- Физика
- Философия
- Химия
- Шаблоны, картинки для презентаций
- Экология
- Экономика
- Юриспруденция
Космология — наука о физике и геометрии Вселенной как целого
Содержание
- 1. Космология — наука о физике и геометрии Вселенной как целого
- 2. Теоретические основыОбщая и специальная теория относительностиКвантовая теория поляФизика элементарных частиц«Стандартная модель»КосмологияТеория струн
- 3. Экспериментальные основыАстрономияУскорители элементарных частицКосмические исследования
- 4. Гамма-лучах (длины волн порядка атомных ядер)Рентгеновском (длины
- 5. Галактика «Колесо кареты»Видимый светИнфракрасныйРентгеновские лучиУльтрафиолет
- 6. Космические исследования
- 7. ЗвездыСкопления галактикГалактики
- 8. Состав видимого вещества ВселеннойГелий ~ 25%Водород ~ 75%
- 9. Образование звезд из туманности Киля в нашей Галактике. Снимок в инфракрасных лучах.
- 10. Гравитационное сжатиеТемпература в центре звезды растетНачинается термоядерный
- 11. Звезды – плазменные шары Термоядерный синтез в СолнцеT ~ 15 млн. К4 H 1 He
- 12. Солнце – звезда средней величиныВодород –
- 13. Слайд 13
- 14. Солнце – звезда 2 или 3 поколенийЗвезды
- 15. Термоядерный синтез в массивных и горячих звездахT
- 16. Чем массивнее звезда, тем быстрее она сгорает.
- 17. Слайд 17
- 18. Образование нейтронных звездБольшие звезды накапливают внутри железное
- 19. Слайд 19
- 20. Плотность 1014 г/см3 как у ядер атомовОчень
- 21. Галактики
- 22. 18 век, Иммануил КантГалактики – звездные островадревнегреч. "галактикос" – "молочный"
- 23. Наша галактика Млечный Путь
- 24. Микрогалактики M32 и M110 движутся по орбитам вокруг ближайшей к нам галактики Андромеды.
- 25. Увеличение размеров (объединение мелких галактик)Появление спиральной формы2
- 26. На малых расстояниях гравитация преобладает
- 27. Эволюция Вселенной
- 28. 1922Релятивистская космология Эйнштейна1917Модели Фридмана40-еГорячая Вселенная Гамова80-е70-90-еИнфляционная модельОткрытие
- 29. Ньютон и Эйнштейн: стационарная Вселенная Ньютон:
- 30. Стационарная Вселенная Космологическая постоянная λ (лямбда)
- 31. Расширяющаяся ВселеннаяМодели и факты
- 32. ФридманАлександр Александрович 1888–1925 Вселенная не может быть
- 33. Космологический принципДля всех наблюдателей Вселенная выглядит одинаково,
- 34. Вселенная как целое не должна вращаться (ось
- 35. Принципы и факты: Крупномасштабная структура ВселеннойВселенная однородна
- 36. Карта скоплений галактик в окрестности 300 млн.
- 37. Слайд 37
- 38. Расширяется или сжимается?ρкрит ≈ 10–29 г/см3критической плотности
- 39. Масштабный фактор аФридман: эволюция Вселенной
- 40. Картинка для двухмерного мира, но наш – трехмерный!
- 41. В решениях уравнений Фридман обнаружил особую точку
- 42. В какой Вселенной мы живем?Противоречия наблюдаемой массы
- 43. Возможные формы существования тёмной материи Массивные несветящиеся
- 44. Эдвин ХабблЭкспериментальное подтверждение модели Фридмана1929Разбегающиеся галактикиH – постоянная ХабблаR – расстояние до галактикиV – ее скорость
- 45. Расстояние до галактики – по светимости определенного
- 46. Красное смещение – эффект Допплера Длина
- 47. Закон Хаббла В случае линейной зависимости
- 48. Красное смещениеПричины для изменения длины волныЭффект Допплера
- 49. Причина красного смещения – расширение пространстваДлина волны
- 50. Сегодня H0 = 72 км/(с·Мпк)1 Мпк =
- 51. Закон Хаббла – подтверждение космологического принципаНет центра расширения – все тела удаляются от всех
- 52. Суть постоянной ХабблаРазмерность постоянной Хаббла – км/(с·Мпк)
- 53. Предположим, что все галактики с
- 54. Наблюдения за сверхновыми показали, что мы не
- 55. Расширение то ускорялось, то замедлялосьНаблюдаемая Вселенная – сфера радиусом 13.7 млрд. свет. лет
- 56. Лекция 4.04
- 57. Фридман и Хаббл – расширение ВселеннойГамов – гипотеза, что в первые секунды Вселенная была очень горячей
- 58. Горячая ВселеннаяГеоргий Гамов1940-еВодород – 75%Гелий – 25%СегодняЕсли
- 59. Горячая ВселеннаяСледовательно, в точке сингуляр-ности температура была
- 60. Предсказанные свойства этого излучения: длинноволновое (радиоволны), однородное
- 61. Реликтовое излучениеТемпература сейчас 2.7 K, длина волны
- 62. Почему реликтовое излучение такое длинноволновое и холодное?Расширение Вселенной!Момент испускания 3 000 Ксейчас 2.7 К
- 63. Локальная анизотропия очень мала – от 2.7279 до 2.7281 КБолее холодные областиБолее горячиебудущие Галактики
- 64. Слайд 64
- 65. Проблема изотропности излученияОбласти Вселенной в момент испускания
- 66. ИнфляцияAlan GuthАндрей Линде1981Лекция А.Линде «Многоликая Вселенная» http://elementy.ru/lib/430484
- 67. Модель инфляции: при разделении сильных и слабых
- 68. Слайд 68
- 69. Слайд 69
- 70. Условие инфляции: при расширении плотность энергии остается
- 71. Свойства вакуума Эйнштейна-Глинера Постоянная и везде
- 72. Слайд 72
- 73. Сценарий Большого Взрыва
- 74. Слайд 74
- 75. Слайд 75
- 76. Гравитация выделилась в отдельную силу до 10–43
- 77. Формирование частиц – протонов и нейтронов из кварков10–3 с
- 78. Слайд 78
- 79. 300 000 лет3000 KФормирование атомов сделало Вселенную прозрачной для фотонов
- 80. Формирование атомов означало разделение вещества и излучения
- 81. Что было до Большого взрыва?Далее – слайды из лекции А.Линде Многоликая Вселенная
- 82. Слайд 82
- 83. Слайд 83
- 84. Слайд 84
- 85. Слайд 85
- 86. Скалярные поля могут иметь очень много минимумов.Каждый
- 87. Квантовые флуктуации во время инфляции могут разбить
- 88. В каждом из таких минимумов потенциала некоего поля может рождаться Вселенная со своими свойствами
- 89. Мультивселенные возникают как мутации какого-то универсального поляБольшой Взрыв?Наш мир
- 90. Почему наша Вселенная так хорошо устроена?
- 91. Область разрешенных значений
- 92. Область разрешенных значений
- 93. Возможные ответыОна создана высшим разумом ради каких-то
- 94. Антропный принципЕсли бы она была другой, некому
- 95. Против сильногоЭто аналогично попытке разработать теорию, пытающуюся
- 96. С. Хокинг Мир в ореховой скорлупке
- 97. ЛитератураЮ.А. Насимович Звезды http://www.astronet.ru/db/msg/1222187/cont.html Д.Ю. Климушкин Космология
- 98. Слайды и рисункиСаймон и Жаклин Миттон. Астрономия.
- 99. Вы можете свободноИспользовать данную презентацию
- 100. Скачать презентанцию
Теоретические основыОбщая и специальная теория относительностиКвантовая теория поляФизика элементарных частиц«Стандартная модель»КосмологияТеория струн
Слайды и текст этой презентации
Слайд 2Теоретические основы
Общая и специальная теория относительности
Квантовая теория поля
Физика элементарных частиц
«Стандартная
модель»
Космология
Теория струн
Слайд 4Гамма-лучах (длины волн порядка атомных ядер)
Рентгеновском (длины волн порядка атомов)
Ультрафиолетовом
(короче видимого)
Инфракрасном (длиннее видимого)
Радиоизлучении (мм – км)
Астрономия 20 века –
наблюдения во всем волновом диапазоне
Слайд 10Гравитационное сжатие
Температура в центре звезды растет
Начинается термоядерный синтез
Выделяющаяся энергия препятствует
дальнейшему сжатию
Равновесие – основная фаза жизненного цикла звезды
Слайд 12Солнце – звезда средней величины
Водород – 74 % массы
Гелий
– 25 % массы
Image:http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA03149
На 1000 атомов Н
– 100 атомов Не и
2-3 тяжелых элементов
Слайд 14Солнце – звезда 2 или 3 поколений
Звезды первого поколения (начало
образования – 300 млн. лет после Большого взрыва) не содержали
тяжелых элементов.Они были их фабриками.
Взрыв → вещество, обогащенное С, О, Fe и др. элементами → материал для звезд следующих поколений
Слайд 15Термоядерный синтез в массивных и горячих звездах
T ~ 150 млн.
К
Красный гигант Горение гелия и углерода
4Не + 4Не +
4Не → 12С12С + 4Не → 16О
Элементы тяжелее железа образуются при взрывах сверхновых
Слайд 16Чем массивнее звезда, тем быстрее она сгорает.
Звезда с массой
= 15 М☼ – за 10 млн. лет
Солнце ~ 10
млрд. лет
Слайд 18Образование нейтронных звезд
Большие звезды накапливают внутри железное ядро
М > 1.4
М☼ нейтронная звезда
Электроны начинают вступать в реакцию с
протонами ядер, образуя нейтроныВнешняя оболочка падает на ядро образование планетарной туманности или взрыв сверхновой
p+ + ē n + νe
Предел Чандрасекара
М > 3 М☼ черная дыра
Предел Ландау—Оппенгеймера—Волкова
Слайд 20Плотность 1014 г/см3 как у ядер атомов
Очень быстро вращаются –
период до нескольких секунд
Нейтронная звезда, пульсар
Слайд 25Увеличение размеров (объединение мелких галактик)
Появление спиральной формы
2
5
9 14Млрд.лет после Большого Взрыва
Слайд 26 На малых расстояниях гравитация преобладает над расширением. Туманность
Андромеды приближается к Млечному Пути со скоростью ~120 км/с
http://elementy.ru/news/430517
5
млрд.лет назад – 4.2 млн. свет летСейчас – 2.6 млн. свет лет
Расстояние до галактики Андромеды
~ через 2 млрд. лет
http://arxiv.org/abs/0705.1170
Слайд 281922
Релятивистская космология Эйнштейна
1917
Модели Фридмана
40-е
Горячая Вселенная Гамова
80-е
70-90-е
Инфляционная модель
Открытие темной материи и
темной энергии
1929
Закон Хаббла
1998
Расширение – с ускорением!
1965
Реликтовое излучение
Экспериментальное подвтерждение
Слайд 29Ньютон и Эйнштейн: стационарная Вселенная
Ньютон: Вселенная должна
быть бесконечна – иначе вся материя упадет в ее центр
вследствие тяготения.В бесконечной же Вселенной нет центра.
Слайд 30Стационарная Вселенная
Космологическая постоянная λ (лямбда) – «сила отталкивания»
– чтобы предотвратить гравитационный коллапс.
Это не сила
взаимодействия, а свойство, встроенное в саму структуру пространства-времениЭйнштейн: Вселенная может быть безгранична, но конечна и стационарна.
2-мерные безграничные, но конечные пространства
Слайд 32Фридман
Александр Александрович
1888–1925
Вселенная не может быть стационарной –
она либо расширяется, либо сжимается
Постулаты:
Космологический принцип
ОТО
Следствие:
(нестатические решения уравнений
Эйнштейна)1922
Слайд 33Космологический принцип
Для всех наблюдателей Вселенная выглядит одинаково, независимо от их
места наблюдения
Мы не находимся в особом месте Вселенной
Эдвард Артур
Милн, 1935Этот принцип является главной аксиомой современной космологии
или
Слайд 34Вселенная как целое не должна вращаться (ось вращения была бы
выделенным направлением)
У неё не должно быть центра и пространственной границы
(нарушалось бы условие однородности)Вселенная на больших масштабах является однородна и изотропна
Эквивалентная формулировка космологического принципа
Слайд 35Принципы и факты: Крупномасштабная структура Вселенной
Вселенная однородна в больших масштабах,
но неоднородна в малых
0.5 млрд световых лет
Слайд 36Карта скоплений галактик в окрестности 300 млн. св. лет от
нашей
Наша галактика
Крупномасштабная структура Вселенной – ячеистая. Скопления галактик образуют плоскости
и линии
Слайд 38Расширяется или сжимается?
ρкрит ≈ 10–29 г/см3
критической плотности ρкрит
≈ 5
атомов водорода на м³
Параметр плотности
В моделях Фридмана все зависело от
Слайд 41В решениях уравнений Фридман обнаружил особую точку – момент времени,
в который радиус мира равен нулю, а плотность содержащегося в
нем вещества бесконечности.Фридман: вывод о точке сингулярности – начале Вселенной
Точка сингулярности:
перестают действовать известные нам законы физики
Слайд 42В какой Вселенной мы живем?
Противоречия наблюдаемой массы галактик и скоплений
с их гравитацией
≈ 1
Тёмная материя (скрытая масса)
Плотность Вселенной, посчитанная
только по видимому веществу ≈ 4% от ρкрит противоречит данным наблюдений о кривизне (~ 0)
Слайд 43Возможные формы существования тёмной материи
Массивные несветящиеся тела
Черные дыры
Коричневые и
черные карлики – очень слабосветящиеся звёзды
Неизвестные элементарные частицы
массивные неизвестные частицы,
не имеющие заряда, но участвующие в гравитационном взаимодействии. Возможно, будет открыто пятое фундаментальное взаимодействиеMACHOs – Massive Astrophysical Compact Halo Objects
WIMPs – Weakly Interacting Massive Particles
Слайд 44Эдвин Хаббл
Экспериментальное подтверждение модели Фридмана
1929
Разбегающиеся галактики
H – постоянная Хаббла
R –
расстояние до галактики
V – ее скорость
Слайд 45Расстояние до галактики – по светимости определенного класса звезд –
«стандартных свечей»
Скорость галактики определяется по красному смещению спектра:
Слайд 46Красное смещение – эффект Допплера
Длина волны изменяется из-за
того, что наблюдатель движется
При взаимном удалении источника
и наблюдателя возникает красное смещение, при сближении – фиолетовое смещение
Слайд 47Закон Хаббла
В случае линейной зависимости удаление всех тел
не означает существования центра расширения
Все тела удаляются от
всех!Но когда-то тела были ближе. Может даже все галактики, вся Вселенная расширяется из одной точки.
Слайд 48Красное смещение
Причины для изменения длины волны
Эффект Допплера (взаимное движение источника
и наблюдателя)
Расширение пространства (фотон «расширяется», пока движется в пространстве)
Слайд 49Причина красного смещения – расширение пространства
Длина волны изменяется, так как
в течение свободного движения фотона пространство успело расшириться и «растянуть»
фотонЭффект Доплера тоже – но в меньшей степени
Слайд 50Сегодня H0 = 72 км/(с·Мпк)
1 Мпк = 3.3. млн. свет.
лет = 3·1022 м
Но ее величина менялась – на ранних
этапах Н была огромной (инфляция)= 15 км /(с·свет.год)
расстояние
10 мегапарсек
скорость убегания
700 км/с
100 мегапарсек
7 000 км/с
Слайд 51Закон Хаббла –
подтверждение космологического принципа
Нет центра расширения – все
тела удаляются от всех
Слайд 52Суть постоянной Хаббла
Размерность постоянной Хаббла – км/(с·Мпк) или просто
1/с
Она показывает, насколько в относительных единицах расширяется пространство в единицу
времениЗначит, величина, обратная постоянной Хаббла, приблизительно разна возрасту Вселенной
Слайд 53 Предположим, что все галактики с самого начала удалялись
от нас с той же скоростью v, которую мы наблюдаем
сегодня. Пусть t — время, прошедшее с начала их разлета. Это и будет возраст Вселенной, и определяется он соотношениями:v·t = r, или t = r/V
Но из закона Хаббла следует, что r/v = 1/H
Значит, величина, обратная постоянной Хаббла, приблизительно разна возрасту Вселенной – 14 млрд. лет
Слайд 54Наблюдения за сверхновыми показали, что мы не просто расширяемся, а
с ускорением
Ускорение рассматривается как довод в пользу существования темной
энергии – «силы расталкивания», антигравитации которую Эйнштейн ввел как космологическую постоянную.1998
Ускорение началось ~ 5 млрд. лет назад
Слайд 55Расширение то ускорялось, то замедлялось
Наблюдаемая Вселенная – сфера радиусом 13.7
млрд. свет. лет
Слайд 57Фридман и Хаббл – расширение Вселенной
Гамов – гипотеза, что в
первые секунды Вселенная была очень горячей
Слайд 58Горячая Вселенная
Георгий Гамов
1940-е
Водород – 75%
Гелий – 25%
Сегодня
Если бы гелий возникал
только в звездах, его бы было 1%
Слайд 59Горячая Вселенная
Следовательно, в точке сингуляр-ности температура была огромной
Значит, он
возник не в звездах, а в самом начале
Настолько высокой,
что не было атомов – только излучение и частицы
Слайд 60Предсказанные свойства этого излучения: длинноволновое (радиоволны), однородное
и с крайне
низкой температурой ~ 5К
В какой-то момент Вселенная остыла настолько, что
из плазмы образовались атомы Она стала прозрачной для излучения – и оно должно обнаруживаться сегодня
Слайд 61Реликтовое излучение
Температура сейчас 2.7 K,
длина волны ~1 мм
1965
Арно Пензиас
и Роберт Вильсон
Возраст излучения
~ 300 000 лет от начала
Точка,
отделяющая наше знание от гипотез. Изотропно!
Слайд 62Почему реликтовое излучение такое длинноволновое и холодное?
Расширение Вселенной!
Момент испускания 3
000 К
сейчас 2.7 К
Слайд 63Локальная анизотропия очень мала – от 2.7279 до 2.7281 К
Более
холодные области
Более горячие
будущие Галактики
Слайд 65Проблема изотропности излучения
Области Вселенной в момент испускания излучения были разделены
расстояниями такими большими, что разные точки не могли быть связаны
причинно-следственными связями – невозможность выравнивания температуры.Модель инфляции
Почему Вселенная такая однородная?
Слайд 66Инфляция
Alan Guth
Андрей Линде
1981
Лекция А.Линде «Многоликая Вселенная» http://elementy.ru/lib/430484
Слайд 67Модель инфляции: при разделении сильных и слабых взаимодействий во Вселенной
произошло скачкообразное расширение.
Это расширение было во много раз быстрее
обычного хаббловского. Примерно за 10–35 секунды Вселенная расширилась в 10100… (?) раз — была меньше протона, а стала больше ныне наблюдаемой нами части.
Слайд 70Условие инфляции: при расширении плотность энергии остается постоянной.
? ? ?
Привычная
нам материя не обладает такими свойствами.
Кандидат на эту роль –
вакуумвакуум Эйнштейна-Глинера
= темная энергия
Неизвестно, тот же ли это вакуум, который описывают квантовые теории поля (они не учитывают гравитацию)
Слайд 71Свойства вакуума Эйнштейна-Глинера
Постоянная и везде одинаковая плотность энергии
и
отрицательное давление, равное плотности энергии по величине
ε ~ 7·10–30 г/см3
р
= – εНа такой на вакуум ничто, нигде и никогда никак не действует. Он воздействует на вещество своим антитяготением, влияет на свойства пространства-времени, и даже полностью их определяет, когда его плотность превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии.
А.Д. Чернин http://atheismru.narod.ru/science/popular/chernin.htm
Слайд 76Гравитация выделилась в отдельную силу
до 10–43 с Планковская
эра
10–35 с
Инфляция и отделение сильного взаимодействия
10–10 с
Кварк-глюонная плазма
Слабое взаимодействие
отделилось от электромагнитного
Слайд 80Формирование атомов означало разделение вещества и излучения
Они больше не
превращались друг в друга с прежней интенсивностью
Реликтовое излучение
300 тыс.
лет~ 1 млрд лет
Формируются первые звезды и галактики
Слайд 86Скалярные поля могут иметь очень много минимумов.
Каждый минимум – новое
вакуумное состояние.
Элементарные частицы имеют разные свойства в разных вакуумных состояниях
Слайд 87Квантовые флуктуации во время инфляции могут разбить Вселенную на много
частей, содержащих разные скалярные поля.
Вселенная становится похожа на набор многих
Вселенных с разными законами физики
Слайд 88В каждом из таких минимумов потенциала некоего поля может рождаться
Вселенная со своими свойствами
Слайд 93Возможные ответы
Она создана высшим разумом ради каких-то своих целей
Законы природы
выводятся из какого-то начального постулата и просто не могут быть
другими (теория всего)Существует много Вселенных со своими законами и мы живем в одной из них
Виктор Пелевин. Затворник и Шестипалый
Слайд 94Антропный принцип
Если бы она была другой, некому бы было задавать
этот вопрос.
(Вселенная случайно оказалась такой, а возможно есть и
другие)Вселенная обязана быть устроена так, чтобы в ней могла зародиться разумная жизнь
Слабый
Сильный
Слайд 95Против сильного
Это аналогично попытке разработать теорию, пытающуюся вывести из первоначальных
постулатов массу Земли
Ситуация с массой электрона и константами взаимодействий может
оказаться такой же
Слайд 97Литература
Ю.А. Насимович Звезды http://www.astronet.ru/db/msg/1222187/cont.html
Д.Ю. Климушкин Космология http://cosmo.irk.ru/index.html
С.Г. Рубин
Устройство нашей Вселенной. М.:Фрязино. Век 2. 2006.
http://physics-vargin.net/books/popul/vselennaya/Rubin.rar
М.И. Панасюк
Странники Вселенной или эхо Большого взрыва http://nuclphys.sinp.msu.ru/pilgrims/ http://physics-vargin.net/books/popul/vselennaya/Stranniki_Vs.rar
Стивен Хокинг. Мир в ореховой скорлупке. 2007
http://physics-vargin.net/books/popul/vselennaya/Hoking_oreh.rar
Виктор Пелевин Затворник и Шестипалый http://pelevin.nov.ru/pov/pe-zatv/1.html
Слайд 98Слайды и рисунки
Саймон и Жаклин Миттон. Астрономия. Oxford University Press.,
перевод М. Росман. 1995. http://physics-vargin.net/books/popul/physica/astronomia.zip
Ссылки на источники рисунков даны
под слайдами в строке заметокLectures of Prof. George Rieke
http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/NatSci102/syllabus/syllabus.htm
А.Линде Многоликая Вселенная
http://elementy.ru/lib/430484?context=2455814
Слайд 99 Вы можете свободно
Использовать данную презентацию в образовательных целях
с сохранением авторства.
Использовать рисунки и отдельные слайды в своих презентациях
и на сайтах со ссылкой на данный сайт или автора. Авторские права
Вы НЕ имеете права
Копировать, распространять или использовать ее другим способом для извлечения коммерческой выгоды.
Выкладывать на интернет-сайтах для скачивания.
Использовать слайды, текст и авторские рисунки без ссылок, выдавая их за свои.
© М.А. Волошина 2009
http://biologii.net
Вы скачали данную презентацию с сайта Biologii.Net, согласившись с тем, что
Если вы не согласны с этими условиями, удалите презентацию с вашего компьютера.
