29.E.: Великий вибух (вправи)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78580

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Статті

Круесі, Л. «Космологія: 5 речей, які потрібно знати». Астрономія (травень 2007 р.): 28. П'ять питань часто задають студенти, і як на них відповідають сучасні космологи.

Круесі, Л. «Як Планк переосмислив Всесвіт». Астрономія (жовтень 2013): 28. Хороший огляд того, що ця космічна місія розповіла нам про CMB та Всесвіт.

Лайнвівер, К. і Девіс, Т. «Помилкові уявлення про Великий вибух». Американський науковий (березень 2005): 36. Деякі основні уявлення про сучасну космологію уточнюються, використовуючи загальну відносність.

Надіс, С. «Розміри інфляції». Небо і Телескоп (Листопад 2005): 32. Приємний огляд походження і сучасні варіанти на інфляційну ідею.

Надіс, С. «Як ми могли бачити інший Всесвіт». Астрономія (червень 2009 року): 24. Про сучасні уявлення про мультивірші і про те, як можуть зіткнутися такі бульбашки простору-часу.

Надіс, С. «Нове обличчя темної енергії: як вибухаючі зірки змінюють наш погляд». Астрономія (липень 2012 року): 45. Про наше вдосконалення розуміння складнощів наднових типу Ia.

Найз, Ю. «Священик, Всесвіт і Великий вибух». Астрономія (листопад 2007 р.): 40. Про життя і творчість Жоржа Леметра.

Панек, Р. «Перехід на темну сторону». Небо і Телескоп (лютий 2009): 22. Історія спостережень і теорій про темну енергію.

Пендрік, Д. «Чи є великий вибух у біді?» Астрономія (квітень 2009 року): 48. Ця сенсаційно названа стаття дійсно більш швидкий огляд того, як сучасні ідеї та спостереження конкретизують гіпотезу Великого вибуху (і викликає питання.)

Редді, Ф. «Як закінчиться Всесвіт». Астрономія (вересень 2014): 38. Коротке обговорення локальних та загальних сценаріїв майбутнього.

Ріс, А. і Тернер, М. «Розширюється Всесвіт: від уповільнення до прискорення». Американський науковий (вересень 2008): 62.

Тернер, М. «Походження Всесвіту». Американський науковий (вересень 2009): 36. Вступ до сучасної космології.

Веб-сайти

Космологічний буквар: https://preposterousuniverse.com/cosmologyprimer/. Каліфорнійський астрофізик Шон Керролл пропонує нетехнічний сайт з короткими оглядами багатьох ключових тем в сучасній космології.

Щоденна космологія: космологія.carnegiescience.edu/. Навчальний веб-сайт з обсерваторій Карнегі з часовою шкалою космологічних відкриттів, довідковими матеріалами та діяльністю.

Наскільки великий Всесвіт? : www.pbs.org/wgbh/нова/простору/ч... -universe.html. Чіткий нарис відомого астронома Брента Туллі узагальнює деякі ключові ідеї в космології та вводить поняття про прискорення Всесвіту.

Всесвіт 101: Місія WMAP Введення у Всесвіт: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/. Короткий посібник NASA з космологічних ідей від команди місій WMAP.

Проект «Космічні часи»: http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov/. Джеймс Лохнер і Барбара Маттсон склали багатий ресурс історії космології двадцятого століття у вигляді новин про ключові події, з Центру космічних польотів Годдарда НАСА.

Відео

День, коли ми знайшли Всесвіт: www.cfa.harvard.edu/події/мо... archive09.html. Заслужений письменник науки Марсія Бартусяк обговорює роботу Хаббла та відкриття розширення космосу — одну з лекцій «Нічна обсерваторія» в Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики (53:46).

Зображення Всесвіту немовляти: https://www.youtube.com/watch?v=x0AqCwElyUk. Публічна розмова Ллойда Нокса про останні відкриття про CMB та про те, що вони означають для космології (1:16:00).

Втікаючий Всесвіт: https://www.youtube.com/watch?v=kNYVFrnmcOU. Роджер Бландфорд (Stanford Linear Accelerator Center) публічна лекція про відкриття та значення космічного прискорення та темної енергії (1:08:08).

Від Великого вибуху до Нобелівської премії і далі до космічного телескопа Джеймса Вебба і відкриття чужорідного життя: svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000... 370/index.html. Джон Матер, НАСА Годдард (1:01:02). Його промову про Нобелівську премію від 8 грудня 2006 року можна знайти за адресою www.nobelprize.org/mediaplaye... p? id=74&перегляд=1.

Темна енергія і доля Всесвіту: https://webcast.stsci.edu/webcast/de...=1961&parent=1. Адам Рейсс (StSci), в Інституті науки космічного телескопа (1:00:00).

Спільна групова діяльність

У цій главі розглядаються деякі досить великі питання та ідеї. Деякі системи переконань вчать нас, що є питання, на які «ми не мали на меті знати» відповіді. Інші люди відчувають, що якщо наш розум і інструменти здатні досліджувати питання, то воно стає частиною нашого права народження як мислення людських істот. Запропонуйте вашій групі обговорити ваші особисті реакції на обговорення таких питань, як початок часу і простору, і кінцева доля Всесвіту. Чи змушує вас нервувати чути про те, що вчені обговорюють ці питання? Або цікаво знати, що тепер ми можемо зібрати наукові докази про походження і долю космосу? (Обговорюючи це, ви можете виявити, що члени вашої групи категорично не згодні; намагайтеся поважати точки зору інших.)
Популярною моделлю Всесвіту в 1950-х і 1960-х роках була так звана стала космологія. У цій моделі Всесвіт була не тільки однаковою скрізь і в усіх напрямках (однорідна і ізотропна), але і однакова в усі часи. Ми знаємо, що Всесвіт розширюється, а галактики стоншуються, і ця модель висунула гіпотезу, що нова матерія постійно з'являється, щоб заповнити простір між галактиками, коли вони рухаються далі. Якщо так, то нескінченна Всесвіт не повинна була мати раптового початку, а могла просто існувати вічно в стійкому стані. Попросіть вашу групу обговорити вашу реакцію на цю модель. Чи вважаєте ви це більш привабливим філософськи, ніж модель Великого вибуху? Чи можете ви навести деякі докази, які свідчать про те, що Всесвіт не був такими ж мільярдами років тому, як зараз - що він не знаходиться в стійкому стані?
Однією з щасливих випадковостей, що характеризує наш Всесвіт, є той факт, що часові шкали розвитку розумного життя на Землі і життя Сонця можна порівняти. Попросіть вашу групу обговорити, що станеться, якби дві шкали часу були дуже різними. Припустимо, наприклад, що час еволюціонування розумного життя було в 10 разів більше, ніж основна послідовність життя Сонця. Чи розвивалася б наша цивілізація коли-небудь? Тепер припустимо, що час еволюціонування розумного життя в десять разів коротший, ніж тривалість життя Сонця основної послідовності. Чи були б ми поруч? (Ця остання дискусія вимагає значних роздумів, включаючи такі ідеї, як були ранні етапи життя Сонця і наскільки ранню Землю бомбардували астероїди та комети.)
Грандіозні ідеї, обговорювані в цьому розділі, мають потужний вплив на людську уяву не тільки для вчених, а й для художників, композиторів, драматургів та письменників. Тут ми перерахуємо лише деякі з цих відповідей на космологію. Кожен член вашої групи може вибрати один з них, дізнатися більше про нього, а потім повідомити про це, або групі, або до всього класу.
- Каліфорнійський поет Робінсон Джефферс був братом астронома, який працював в обсерваторії Ліка. Його вірш «Маргрейв» - це медитація на космологію і на викрадення і вбивство дитини: www.poemhunter.com/best-poems... fers/margrave/.
- У науково-фантастичному оповіданні «Гравітаційна шахта» Стівена Бакстера енергія випаровуються надмасивних чорних дір - остання надія живих істот в далекому майбутньому в постійно розширюється Всесвіті. Історія має поетичний опис кінцевої долі матерії та життя та доступна в Інтернеті за посиланням: http://www.infinityplus.co.uk/stories/gravitymine.htm.
- Музичний твір YLEM Карлхайнц Штокхаузен бере свою назву від давньогрецького терміна для первісного матеріалу, відродженого Джорджем Гамовим. Він намагається зобразити коливається всесвіт в музичному плані. Гравці фактично розширюються через концертний зал, так само, як це робить Всесвіт, а потім повертаються і розширюються знову. Див.: http://www.karlheinzstockhausen.org/ylem_english.htm.
- Музичний твір Supernova Sonata http://www.astro.uvic.ca/~alexhp/new...va_sonata.html Алекса Паркера та Меліси Грем заснований на характеристиках 241 вибухів наднових Ia типу, тих, які допомогли астрономам виявити прискорення розширюється Всесвіту.
- Коротка розповідь Грегорі Бенфорда «The Final Now» передбачає кінець прискорюється відкритого Всесвіту, і дуже поетично поєднує релігійні та наукові образи. Доступно безкоштовно онлайн за адресою: http://www.tor.com/stories/2010/03/the-final-now.
Коли Ейнштейн дізнався про роботу Хаббла, яка показує, що всесвіт галактик розширюється, він назвав своє введення космологічної константи в загальну теорію відносності своєю «найбільшою промахом». Чи може ваша група думати про інші «великі промахи» з історії астрономії, де мислення астрономів було занадто консервативним, а Всесвіт виявився складнішим або вимагав більш «нестандартного» мислення?

Переглянути питання

Які основні спостереження про Всесвіт повинна пояснити будь-яка теорія космології?
Опишіть деякі можливі ф'ючерси для Всесвіту, які придумали вчені. Яке властивість Всесвіту визначає, яка з цих можливостей є правильною?
Що означає термін час Хаббла в космології, і який поточний найкращий розрахунок для часу Хаббла?
Які утворилися першими: ядра водню або атоми водню? Поясніть послідовність подій, які привели до кожного.
Опишіть принаймні дві характеристики Всесвіту, які пояснюються стандартною моделлю Великого вибуху.
Опишіть дві властивості Всесвіту, які не пояснюються стандартною моделлю Великого вибуху (без інфляції). Чим інфляція пояснює ці дві властивості?
Чому астрономи вважають, що має бути темна матерія, яка не є у вигляді атомів з протонами і нейтронами?
Що таке темна енергія і які свідчення мають астрономи, що вона є важливою складовою Всесвіту?
Думаючи про ідеї простору та часу в загальній теорії відносності Ейнштейна, як ми пояснюємо той факт, що всі галактики поза межами нашої Локальної групи показують червоне зсув?
Астрономи виявили, що у Всесвіті більше гелію, ніж зірки могли б зробити за 13,8 мільярда років, що Всесвіт існував. Як сценарій Великого вибуху вирішує цю проблему?
Опишіть антропний принцип. Які властивості Всесвіту роблять його «готовим» мати такі форми життя, як ви?
Опишіть докази того, що розширення Всесвіту прискорюється.

Думка питання

Який найкорисніший зонд ранньої еволюції Всесвіту: гігантська еліптична галактика або нерегулярна галактика, така як Велика Магелланова Хмара? Чому?
Які переваги та недоліки використання квазарів для зондування ранньої історії Всесвіту?
Чи відбулося б прискорення Всесвіту, якби вона була повністю складена з матерії (тобто, якби не було темної енергії)?
Припустимо, Всесвіт розширюється назавжди. Опишіть, що стане з випромінюванням від первісної вогненної кулі. Якою буде майбутня еволюція галактик? Чи може життя, як ми його знаємо, вижити назавжди в такому всесвіті? Чому?
Деякі теоретики очікували, що спостереження покаже, що щільність речовини у Всесвіті якраз дорівнює критичній щільності. Чи підтримують поточні спостереження цю гіпотезу?
Існують різні способи оцінки віку різних об'єктів у Всесвіті. Опишіть два з цих способів і вкажіть, наскільки добре вони згодні один з одним і з віком самого Всесвіту, що оцінюється його розширенням.
З часів Коперника кожна революція в астрономії переміщала людей далі від центру Всесвіту. Тепер здається, що ми можемо навіть не бути зроблені з найпоширенішої форми матерії. Простежте зміни в науковій думці про центральну природу Землі, Сонця і нашої Галактики в космічному масштабі. Поясніть, як уявлення про те, що більша частина Всесвіту складається з темної матерії, продовжує цю «коперніканську традицію».
Антропний принцип говорить про те, що в якомусь сенсі ми спостерігаємо особливий вид Всесвіту; якби Всесвіт був іншим, ми ніколи не могли б існувати. Прокоментуйте, як це відповідає традиції Коперника, описаної в попередній вправі.
Відкриття Пензіасом і Вільсоном космічного мікрохвильового фону (CMB) є приємним прикладом наукової безтурботності - те, що виявляється випадково, але виявляється позитивним результатом. Що вони шукали і що відкрили?
Побудуйте часову шкалу для Всесвіту і вкажіть, коли відбувалися різні значущі події, починаючи від початку експансії і закінчуючи утворенням Сонця і закінчуючи появою людей на Землі.

Подумавши для себе

Припустимо, константа Хаббла становила не 22, а 33 км/с на мільйон світлових років. Тоді якою була б критична щільність?
Припустимо, що середня галактика містить\(10^11\)\(M_{\text{Sun}}\) і що середня відстань між галактиками становить 10 мільйонів світлових років. Обчисліть середню щільність речовини (маси на одиницю об'єму) в галактиках. Яка частка це критичної щільності, яку ми розрахували в розділі?
CMB містить приблизно 400 мільйонів фотонів на м ³. Енергія кожного фотона залежить від його довжини хвилі. Обчисліть типову довжину хвилі фотона CMB. Підказка: CMB - це випромінювання чорного тіла при температурі 2,73 К. Відповідно до закону Віна, пікова довжина хвилі в нанометрах задається\(\lambda_{\text{max}} = \frac{3 \times 10^6}{T}\). Обчисліть довжину хвилі, на якій CMB є максимумом, і, щоб зробити одиниці послідовними, перетворіть цю довжину хвилі з нанометрів в метри.
Слідуючи за вправою «Фігурка для себе» 5, обчислити енергію типового фотона. Припустимо для цього приблизного розрахунку, що кожен фотон має довжину хвилі, розраховану в попередній вправі. Енергія фотона задається тим\(E= \frac{hc}{\lambda}\), де\(h\) постійна Планка і дорівнює\(6.626 \times 10^{–34} \text{ J} \times \text{s}\),\(c\) - це швидкість світла в м/с, а\(\lambda\) довжина хвилі в м.
Продовжуючи мислення в фігурці для себе вправ 6 і 7, розрахуйте енергію в кубічному метрі простору, помножте енергію на один фотон, розраховану в попередньому вправі, на кількість фотонів на кубічний метр, наведене вище.
Продовжуючи мислення в останніх трьох вправах, перетворюйте цю енергію в еквівалент по масі, використовуйте рівняння Ейнштейна\(E= mc^2\). Підказка: Розділіть енергію на м ³, розраховану в попередній вправі, на швидкість світла в квадраті. Перевірте свої одиниці; ви повинні мати відповідь в кг/м ³. Тепер порівняйте цю відповідь з критичною щільністю. Ваша відповідь повинна бути на кілька ступенів на 10 менше критичної щільності. Іншими словами, ви виявили для себе, що внесок фотонів CMB в загальну щільність Всесвіту набагато, набагато менший, ніж внесок зірок і галактик.
У константі Хаббла все ще існує певна невизначеність. (a) Поточні оцінки коливаються від приблизно 19,9 км/с на мільйон світлових років до 23 км/с на мільйон світлових років. Припустимо, що константа Хаббла була постійною з часів Великого вибуху. Який можливий діапазон у віки Всесвіту? Використовуйте рівняння в тексті та переконайтеся\(T_0 = \frac{1}{H}\), що ви використовуєте послідовні одиниці. (b) Двадцять років тому оцінки константи Хаббла коливалися від 50 до 100 км/с на Мп. Які можливі віки для Всесвіту від цих цінностей? Чи можете ви виключити деякі з цих можливостей на основі інших доказів?
Можна вивести вік Всесвіту, враховуючи значення константи Хаббла та відстань до галактики, знову ж таки з припущенням, що значення константи Хаббла не змінилося з часів Великого вибуху. Розглянемо галактику на відстані 400 мільйонів світлових років, що відступає від нас зі швидкістю,\(v\). Якщо константа Хаббла становить 20 км/с на мільйон світлових років, яка її швидкість? Як давно ця галактика була поруч із нашою власною Галактикою, якщо вона завжди відступала за нинішньою швидкістю? Висловлюйте свою відповідь через роки. Оскільки Всесвіт почався, коли всі галактики були дуже близько один до одного, це число є приблизною оцінкою для віку Всесвіту.