Фундаментальные представления современной астрономии. Особенности их введения в школе

1.

2.

Фундаментальные представления
современной астрономии.
Особенности их введения в школе
ITMO University (Saint Petersburg National Research University
of Information Technologies, Mechanics and Optics)
проф.д.ф.м.н. Циовкин Ю.Ю.
ИРО Свердловской области Доц. к.ф.м.н Потоскуев
С.Э.

3.

Основные документы
1.
2.
3.
4.
Приказ Минобрнауки РФ от 07 июня 2017 года № 506 «О внесении изменений в федеральный компонент
государственных образовательных стандартов начального, основного общего и среднего (полного) общего
образования, утвержденный приказом Министерства образования Российской Федерации от 5 марта 2004 г. №
1089».
Приказ Минобрнауки РФ от 20 июня 2017 года № 581 «О внесении изменений в федеральный перечень
учебников, рекомендованных к использованию при реализации имеющих государственную аккредитацию
образовательных программ начального, основного общего и среднего общего образования, утвержденный
приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 31 марта 2014 года № 253».
Письмо Минобрнауки от 20 июня 2017 года № ТС-194/08 «Методические рекомендации по введению
учебного предмета «Астрономия» как обязательного для изучения на уровне среднего общего образования».
Приказ Минобрнауки Российской Федерации от 29
июня 2017 года № 613 о внесении изменений во
ФГОС (Принято и опубликовано
10.08.2017)

4.

Сюрпризы
ЕГЭ - 2018
ВПР 2019

5.

Немного истории

6.

Немного истории

7.

Немного истории

8.

Немного истории

9.

Немного истории
Клавдий Птолемей ( 87-165 гг.)
(Κλαύδιος Πτολεμαῖος, лат. Ptolemaeus)
С 127 по 151 год жил в Александрии, где проводил астрономические наблюдения.
Автор классической античной монографии «Альмагест».

10.

Обязательный минимум содержания
Установлен Приказом Минобрнауки РФ № 613 от 29.06.2017
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Предмет астрономии
Основы практической астрономии
Законы движения небесных тел
Солнечная система
Методы астрономических исследований
Звезды
Наша Галактика - Млечный Путь
Галактики. Строение и эволюция Вселенной

11.

Особенности предметного содержания
Астрометрия и основы навигации во Вселенной
НЕБЕСНАЯ СФЕРА. ОСОБЫЕ ТОЧКИ НЕБЕСНОЙ СФЕРЫ. НЕБЕСНЫЕ КООРДИНАТЫ. Звездная карта,
созвездия, использование компьютерных приложений для отображения звездного неба. Видимая
звездная величина. Суточное движение светил. СВЯЗЬ ВИДИМОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НА
НЕБЕ И ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КООРДИНАТ НАБЛЮДАТЕЛЯ. Движение Земли вокруг Солнца. Видимое
движение и фазы Луны. Солнечные и лунные затмения. Время и календарь.

12.

Особенности предметного содержания
и предметного окружения
Астрометрия и основы навигации во Вселенной
Навигационный треугольник и сферические системы координат
полюс (P)
небесный меридиан,
круг высоты
круг склонения
зенит (Z)
Первый астрономический треугольник
используется для перевода координат из
первой экваториальной системы в
горизонтальную и обратно.
Второй астрономический треугольник
используется для перевода координат из второй
экваториальной системы в эклиптическую и
обратно.
Третий астрономический треугольник
используется для перевода координат из второй
экваториальной системы в галактическую и
обратно

13.

Особенности предметного содержания и
предметного окружения
Астрометрия и основы навигации во Вселенной
Определение поправок
Определение поправок
Поправка на известную наблюдателю
погрешность угломерного инструмента
Поправка на понижение
горизонта. Чем выше над
поверхностью Земли
располагается наблюдатель, тем
ниже опускается видимая линия
горизонт
Поправка на атмосферную
рефракцию. Атмосфера работает подобно линзе — при
прохождении через нее луч
света от небесного тела
искривляется
Геометрия и тригонометрия, оптика

14.

Особенности предметного содержания и
предметного окружения
Астрометрия и основы навигации во Вселенной
Определение поправок
Определение поправок
Геометрия и тригонометрия
Поправка на высотный
параллакс светила. Если мы
наблюдаем достаточно
близко расположенное
светило, например, Луну, ее
высота относительно
топоцентрического горизонта
существенно меньше ее
высоты относительно
геоцентрического горизонта!

15.

Особенности предметного содержания
Астрометрия и основы навигации во Вселенной
Исторические линии
Гиппарх и Птолемей
Гиппарх ввел сферическую карту
звездного неба как систему координат,
, широту и долготу,
поправки на сферичность,
эпициклические и деферентные
поправки.....
составил первую полную карту неба из
850 звезд, которая стала основой
астрологии и основой для Альмагеста
Птолемея.
Каждое великое открытие в небесной механике сопровождалось вспышкой сверхновой
звезды

16.

Геоцентрическая картина мира

17.

Николай Коперник (Mikołaj Kopernik)
19 февраля 1473, Торунь — 24 мая 1543, Фромборк
De revolutionibus orbium coelestium («Об обращении небесных сфер»).

18.

Гелиоцентрическая картина мира

19.

Ти́хо Бра́ге (Tyge Ottesen Brahe)
14 декабря 1546, Кнудструп, Дания (ныне территория Швеции) — 24
октября 1601, Прага)

20.

21.

22.

23.

Особенности предметного содержания
Астрометрия и основы навигации во Вселенной
Исторические линии
Система мира Тихо Браге
Законы Кеплера
Каждое великое открытие в небесной механике сопровождалось вспышкой сверхновой
звезды

24.

Иоганн Кеплер (Johannes Kepler)
27 .12.1571 года, Вайль-дер-Штадт - 15 .12.1630 года,
Регенсбург)

25.

«Любезный читатель!
В этой книжке я вознамерился
доказать, что всеблагой и
всемогущий Бог при
сотворении нашего
движущегося мира и при
расположении небесных
орбит избрал за основу
пять правильных тел,
которые со времен
Пифагора и Платона и до
наших дней снискали столь
громкую славу, выбрал
число и пропорции небесных
орбит, а также
отношения между
движениями выбрал в
соответствии с природой
правильных тел.»

26.

тетраэдр (4 треугольные
грани),
куб (6 граней-квадратов),
октаэдр (8 треугольных
граней),
додекаэдр (12
пятиугольных граней),
икосаэдр (20 треугольных
граней)

27.

В 1600 году Кеплер прибывает в Прагу.
Проведённые здесь 10 лет — самый
плодотворный период его жизни. В 1604 году
Кеплер публикует свои наблюдения
сверхновой, называемой теперь его именем.
В 1610 году Галилей сообщает Кеплеру об
открытии спутников Юпитера. Кеплер
встречает это сообщение недоверчиво и в
полемической работе «Разговор со Звёздным
вестником» приводит несколько
юмористическое возражение: «непонятно, к
чему быть [спутникам], если на этой планете
нет никого, кто бы мог любоваться этим
зрелищем»

28.

1 и 2 законы Кеплера
были
сформулированы в
1609 году в книге
«Новая
астрономия»
(осторожности ради, он
относил их только к
Марсу).

29.

30.

В 1618
году Кеплер
открывает третий закон:
отношение куба среднего
удаления планеты от
Солнца к квадрату периода
обращения её вокруг
Солнца есть величина
постоянная для всех планет:
a³/T² = const.
Этот результат Кеплер публикует в
завершающей книге
«Гармония мира»,
причём применяет его уже не только
к Марсу, но и ко всем прочим
планетам (включая, естественно,
и Землю), а также к галилеевым
спутникам.

31.

Закон всемирного тяготения
Гравитация
Зарождение «линии» поля. Взаимодействие и поле

32.

В канун Рождества 1664 года на лондонских домах стали
появляться красные кресты — первые метки
Великой эпидемии чумы.
8 августа 1665 года занятия в Тринити-колледже были
прекращены и персонал распущен до окончания эпидемии.
Но существенную часть своих научных открытий Ньютон сделал
в уединении «чумных лет». Из сохранившихся заметок видно,
что 23-летний Ньютон уже свободно владел базовыми
методами дифференциального и интегрального исчислений,
включая разложение функций в ряды и то, что впоследствии
было названо формулой Ньютона-Лейбница. Проведя ряд
остроумных оптических экспериментов, он доказал, что белый
цвет есть смесь цветов.
Но самым значительным его открытием
в эти годы стал
закон всемирного тяготения.

33.

28 апреля 1686 года
первый том
«Математических
начал» был
представлен
Королевскому
обществу.
Все три тома, после
некоторой авторской
правки, вышли в 1687
году.
Тираж (около 300
экземпляров) был
распродан за 4 года —
для того времени
очень быстро.

34.

Особенности предметного содержания
и предметного окружения
Методы астрономических исследований
Электромагнитное излучение, космические лучи и
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ как источник информации о
природе и свойствах небесных тел. Наземные и космические
телескопы, принцип их работы. Космические аппараты.
Спектральный анализ. Эффект Доплера. ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ
ВИНА. ЗАКОН СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА.
Программа в существенном расходится с программой по
физике ( базовый уровень!)

35.

Особенности предметного содержания
и предметного окружения
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ как источник информации о
природе и свойствах небесных тел.
Предсказаны Пуанкаре, введены теоретически Эйнштейном
- Филип Петерс и Джон Мэтью теоретически описали гравитационные
волны, излучаемые двойными системами
2016 — международная коллаборация LIGO cообщение о прямом
наблюдении взаимодействующих массивных тел в сверхсильных
гравитационных полях со сверхвысокими относительными
скоростями (v/c>0,5}
-

36.

37.

Ligo_signals LIGO Laser Interferometer
Gravitational-Wave Observatory

38.

39.

40.

Астрономические инструменты

41.

42.

400 лет телескопо-строения

43.

Зачем их строят?
Необходимость построения таких телескопов определяется тем, что
современная наука ставит задачи, требующие достижения
предельной чувствительности инструментов для регистрации
информации, поступающей к нам в виде излучения от самых
слабых источников - космических объектов. К таким задачам
прежде всего относятся:
Проблемы происхождения Вселенной
Образование и эволюция звезд, галактик и планетных систем
Физические свойства материи в экстремальных
астрофизических условиях
Астрофизические аспекты зарождения и существования жизни
во Вселенной

44.

Рост
апертуры
телескопов
Современный инструмент должен иметь:
большую поверхность
собирающей
оптики
Удвоение каждые
~ 40
высокую лет
эффективность приемников
излучения
отсутствие помех при наблюдениях

45.

ТЕЛЕСКОП
ДИАМЕТР
ЗЕРКАЛА
метры
ПАРАМЕТРЫ
ГЛАВНОГО
ЗЕРКАЛА
МЕСТО УСТАНОВКИ
ТЕЛЕСКОПА
УЧАСТНИКИ
ПРОЕКТА
параболическое
многосегментное
активное
Mauna Kea, Гавайи, США
США
8.2
каждый
тонкое
активное
Paranal, Чили
ESO кооперация
девяти стран Европы
GEMINI I
GEMINI II
8
8
тонкое
активное
Mauna Kea, Гавайи, США
Cerro Pachon, Чили
США 25% Англия
25%
Канада 15%
Аргентина2,5%
Чили 5% Бразилия
2,5%
SUBARU
8,2
тонкое активное
Mauna Kea, Гавайи, США
Япония
LBT
бинокулярный
8,4 + 8,4
сотовое толстое
Mt. Graham , Аризона,
США
США
Италия
HET
Hobby&Eberly
11
реально 9.5
сферическое
многосегментное
Mt. Fowlkes , Texac, США
США
Германия
6,5
сотовое толстое
Mt. Hopkins , Аризона,
США
США
2 * 6,5
сотовое толстое
Las Cаmpanas , Чили
США
GTC
10
аналог KECK II
La Palma , Канарские
острова, Испания
Испания 51%
SALT
11
аналог НЕТ
Sutherland , ЮАР
Консорциум
ELT
35
реально 28
аналог НЕТ
США
OWL
100
сферическое
многосегментное
Германия, Швеция
Дания и др.
KECK I
KECK II
VLT
четыреТелескопа
MMT
MAGELLAN
два телескопа
10
10

46.

Чрезвычайно большие телескопы ELT и GSMT
Телескоg GSMT
Основные технические характеристики GSMT
- схема – классический Кассегрен
- полноповоротное главное зеркало 30 м в диаметре при
фокальном отношении f/1
- главное зеркало состоит из 618 сегментов, каждый
размером примерно 120 см и толщиной 5 см, максимальная
асферичность 110 микрон (как и у телескопа Кека)
- адаптивное вторичное зеркало диаметром 2 м, f/18.75
- конструкция типа радиотелескопа

47.

Ошеломляюще Большой Телескоп OWL
OWL
OWL проектируется Европейской Южной
Обсерваторией как альт-азимутальный
телескоп с сегментированным сферическим
главным зеркалом и плоскими вторичными.
Для коррекции сферической аберрации
вводится 4-х элементный корректор
(диаметром около 8м). При разработке OWL
используются уже наработанные в
современных проектах технологии: активная
оптика (как на телескопах NTT, VLT, Subaru,
Gemini), сегментация главного зеркала (как
на Keck, HET, GTC, SALT), конструкции
низкой стоимости (как на HET и SALT).
Многоступенчатая адаптивная оптика
остается предметом разработки.

48.

Параметры телескопа OWL:
- Диаметр входного зрачка – 100 м
- Площадь собирающей поверхности > 6000 м2
- Многоступенчатая система адаптивной оптики
- Диффракционное качество изображения
Для видимого участка спектра – в поле 30 угл. сек.
Для ближнего ИК – в поле 2 угл.мин.
- Поле ограниченное качеством изображения, допускаемым атмосферой (seeing)
– 10 угл.мин.
- Рабочий спектральный диапазон – 0.32 – 12 микрон
- Вес – 12 500 тонн

49.

Особенности предметного содержания
и предметного окружения
Методы астрономических исследований
Спектральный анализ – один из наиболее мощных
современных астрономических инструментов
Радиометрия
ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ ВИНА. ЗАКОН СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА.
Программа в существенном расходится с программой по
физике ( базовый уровень!)

50.

Особенности предметного содержания
и предметного окружения
Методы астрономических исследований
СМЕЩЕНИЕ ВИНА. ЗАКОН СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА.

51.

Особенности предметного содержания
и предметного окружения

52.

Особенности предметного содержания
и предметного окружения
Методы астрономических исследований
СМЕЩЕНИЕ ВИНА. ЗАКОН СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА.

53.

Обязательный минимум содержания и
предметное окружение
Звезды
Основные физико-химические характеристики и их взаимная связь. Разнообразие
звездных характеристик и их закономерности. Определение расстояния до звезд,
параллакс. ДВОЙНЫЕ И КРАТНЫЕ ЗВЕЗДЫ. Внесолнечные планеты.
ПРОБЛЕМА СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИЗНИ ВО ВСЕЛЕННОЙ. Внутреннее строение и
источники энергии звезд. Происхождение химических элементов. ПЕРЕМЕННЫЕ И
ВСПЫХИВАЮЩИЕ ЗВЕЗДЫ. КОРИЧНЕВЫЕ КАРЛИКИ. Эволюция звезд, ее этапы и
конечные стадии.
Строение Солнца, солнечной атмосферы. Проявления солнечной активности: пятна,
вспышки, протуберанцы. Периодичность солнечной активности. РОЛЬ МАГНИТНЫХ
ПОЛЕЙ НА СОЛНЦЕ. Солнечно-земные связи.
Программа в существенном расходится с программой по физике

54.

Обязательный минимум содержания и
предметное окружение
Звезды
Звезды: основные физико-химические характеристики и их взаимная связь.
Разнообразие звездных характеристик и их закономерности.
Что такое плазма?
Механизм возникновения и протекания ядерных реакций
Нейтронное излучение
Cильные и сверхсильные электромагнитные поля
Программа в существенном расходится с программой по физике

55. Нормальные звезды

56. Нормальные звезды

57. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела (1910 г.)

Эйнар Херцшпрунг
(Ejnar Hertzsprung)
1873 — 1967
Генри Рессел
(Henry Norris Russell)
1877 — 1957

58.

Обязательный минимум содержания и
предметное окружение
Звезды
«Электронный газ

59.

Обязательный минимум содержания
Звезды

60.

Обязательный минимум содержании
предметное окружение
Звезды
Эволюция звезд

61.

Обязательный минимум содержания
Звезды
Остатки сверхновой NGC 6995 - это
горячий светящийся газ, образовавшийся
после взрыва звезды 20-30 тысяч лет
назад. Подобные взрывы 10-14 млрд.
лет назад активно обогащали
пространство тяжелыми элементами из
которых впоследствии образовывались
планеты и звезды следующего
поколения.

62.

Обязательный минимум содержания и
предметное окружение
Звезды
Читаемость
полнота
информативность

63.

Обязательный минимум содержания
предметное окружение
Эволюция звезд

64.

Обязательный минимум содержания и
предметное окружение

65.

Классификация галактик по Хабблу
Звезды
Наша Галактика – спиральная галактика с перемычкой
типа SBc (по Хабблу)

66.

67.

68.

69.

Телескоп Хаббла
24 апреля 1990

70.

Обязательный минимум содержания
Основные уравнения химической эволюции галактики
dMg
dt
M
(t ) R(t ) M
out
in
Горячий газ в окрестностях NGC 4631
(Chandra
dM i
Z i (t ) Pi (t ) M i out M i in
dt

71.

Обязательный минимум содержания
I. В процессе Большого
Взрыва производятся
H, D, 3He, 4He, Li, Be, B
II. В звездах:
- В недрах звезд главной
последовательности
производятся
He
(4 H 4He) основной продукт
- В ядрах красных гигантов
производятся
C, O - основные продукты
- В ядрах красных сверхгигантов производятся
Mg, Si
III. В процессе вспышек
сверхновых звезд
производятся
N, Ne, Na, Al побочные продукты
Ne, Mg, s - элементы (Sr,
Ba) - побочные продукты
Элементы группы железа,
r - элементы (Eu)
IV. Специфические
источники:
- Ядерные реакции под
воздействием космических
лучей
Li, Be, B

72.

Особенности предметного содержания
и предметного окружения
Внутреннее строение солнца .

73.

Космологические модели Ньютона,
Эйнштейна и Фридмана
Гравитация

74.

Космология Ньютона, Эйнштейна и
Фридмана и предметное
окружение
Гравитация
Классическая механика
Общая теория относительности
Расширяющаяся Вселенная
Общая теория Взаимодействий
Пространство Евклида Пространство Миньковского
Пространство Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера

75.

В наиболее простом случае пустого пространства
(тензор энергии-импульса равен нулю)
одно из решений уравнений Эйнштейна описывается
метрикой Минковского
Специальной Теории Относительности

76. Пространства разной кривизны

77.

Первую попытку описания Вселенной на основе
ОТО предпринял Эйнштейн в 1917 г.
Он считал, что безграничная Вселенная замкнута на
себя, пространственно конечна
и стационарна во времени.
Её радиус кривизны не должен меняться.
Однако, при решении мировых уравнений не
удается получить устойчивую стационарную
модель мира.

78.

79.

А.Эйнштейн: Замечание к работе А. Фридмана "О кривизне пространства"
Результаты относительно нестационарного мира,
содержащиеся в упомянутой работе,
представляются мне подозрительными.
В действительности оказывается, что указанное в
ней решение не удовлетворяет уравнениям поля
<...> значение этой работы в том и состоит, что
она доказывает
постоянство радиуса мира во времени.
18 сентября 1922 г.

80. Расширение Вселенной

81.

А.Эйнштейн: К работе А.Фридмана "О кривизне пространства"
В предыдущей заметке я подверг критике
названную выше работу.
Однако моя критика, как я убедился из письма
Фридмана, основывалась на ошибке в
вычислениях.
Я считаю результаты Фридмана правильными и
проливающими новый свет.
Оказывается, что уравнения поля допускают
наряду со статическими также и динамические
(т.е. переменные относительно времени)
решения для структуры пространства.
31 мая 1923 г.

82.

Эйнштейн ввёл в уравнения дополнительный
"космологический член" Л (ламбда).
Эта постоянная величина имела необычный
физический смысл
силы отталкивания,
призванной уравновесить взаимное тяготение масс
Вселенной.
Для её введения у Эйнштейна не было достаточных
оснований.

83.

Реликтовое излучение и теория
большого взрыва
1946-1948 гг. теория образования
химических элементов путём
последовательного нейтронного
Реликтовое, космическое
захвата.
микроволновое фоновое излучение
обоснована теория «Горячей
-равномерно заполняющее
Вселенной», именуемая на Западе Вселенную тепловое излучение,
возникшее в эпоху первичной
теорией «Big Bang» (Теория
рекомбинации водорода.
Большого Взрыва).
Обладает высокой степенью
Предсказано существование
изотропности и спектром,
характерным для абсолютно
реликтового излучения
чёрного тела с температурой
2,72548 ± 0,00057 К[1].

84. Закон Хаббла

85.

Реликтовое излучение и теория
большого взрыва
Арно Пензиас и Роберт Вильсон
В 1978 году Пензиас и Вильсон за своё открытие получили
Нобелевскую премию.
1965г.

86.

Реликтовое излучение и теория
большого взрыва
Краткая история развития Вселенной
Время
Температура
Состояние Вселенной
10-45 - 10-37 сек
Более 1026K
Инфляционное расширение
10-6 сек
Более 1013K
Появление кварков и электронов
10-5 cек
1012K
10-4 сек - 3 мин
1011 - 109 K
400 тыс. лет
4000 К
Образование атомов
15 млн. лет
300 K
Продолжение расширения газового облака
1 млрд. лет
20 K
Зарождение первых звезд и галактик
3 млрд. лет
10 K
Образование тяжелых ядер при взрывах звезд
10 - 15 млрд. лет
3K
Появление планет и разумной жизни
1014 лет
10-2 K
Прекращение процесса рождения звезд
1037 лет
10-18 K
Истощение энергии всех звезд
1040 лет
-20 K
Испарение черных
элементарных частиц
10100 лет
10-60 - 10-40 K
Образование протонов и нейтронов
Возникновение ядер дейтерия, гелия и лития
дыр
и
рождение
Завершение испарения всех черных дыр

87.

Реликтовое излучение и этапы
большого взрыва
Краткая история развития Вселенной
Время
Температура
Состояние Вселенной
10-45 - 10-37 сек
Более 1026K
Инфляционное расширение
10-6 сек
Более 1013K
Появление кварков и электронов
10-5 cек
1012K
10-4 сек - 3 мин
1011 - 109 K
400 тыс. лет
4000 К
Образование атомов
15 млн. лет
300 K
Продолжение расширения газового облака
1 млрд. лет
20 K
Зарождение первых звезд и галактик
3 млрд. лет
10 K
Образование тяжелых ядер при взрывах звезд
10 - 15 млрд. лет
3K
Появление планет и разумной жизни
1014 лет
10-2 K
Прекращение процесса рождения звезд
1037 лет
10-18 K
Истощение энергии всех звезд
1040 лет
-20 K
Испарение черных
элементарных частиц
10100 лет
10-60 - 10-40 K
Образование протонов и нейтронов
Возникновение ядер дейтерия, гелия и лития
дыр
и
рождение
Завершение испарения всех черных дыр

88.

Космология Эйнштейна Фридмана
Гамова
Гравитация

89.

Космология Эйнштейна Фридмана
Гамова
Гравитация

90. Инфляция. (А. Старобинский, А. Гут. 1979 г.)

91. Проблемы…

Проблема флуктуаций плотности
Возмущения, повлекшие гравитационные уплотнения,
приведшие к формированию галактик, должны иметь
изначальное происхождение; откуда они взялись?
Проблема космологической постоянной
Почему космологическая постоянная на 120 порядков
величины меньше, чем ожидается из теории квантовой
гравитации?
Проблема темной материи
Из какого вещества состоит в основном Вселенная? Расчеты
нуклеосинтеза показывают, что темная материя
Вселенной не состоит из обычной материи - нейтронов и
протонов?

92. Квантование гравитации

93. Динамика структурирования вещества Вселенной

94. Распределение плотности вещества на больших масштабах (компьютерная модель)

95. Флуктуации реликтового фона

96. Пространственно-временная пена

Вселенная рождается из квантовых флуктуаций
высокоэнергетического физического вакуума.
Пузырьки физического вакуума то и дело возникают
и лопаются, достигнув так называемого планковского
размера в 10-33 см.
Топологические свойства разных пузырьков могут сильно
различаться.
Внутри них могут быть различны свойства пространствавремени.
Например, пространственная размерность может отличаться
от трех, а временная — от единицы. Аналогичная
несхожесть может проявляться и в свойствах материи.

97. Один из пузырьков – наш…

98. Современное представление о соотношении вещества и энергии Вселенной

99. Модель Лямбда-CDM

ΛCDM —стандартная космологическая модель, в которой
пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной
барионной материи, тёмной энергией (описываемой
космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и
холодной тёмной материей (Cold Dark Matter). Согласно этой
модели возраст Вселенной равен 13,75 ± 0,11 млрд лет.

100. И что же это такое?

Тёмная материя - гипотетическая форма материи, которая
не испускает электромагнитного излучения и не
взаимодействует с ним.
Это свойство данной формы вещества делает невозможным
её прямое наблюдение.
Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи
по создаваемым ею гравитационным эффектам.
Обнаружение тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы,
которая, в частности, заключается в аномально быстрой скорости вращения
внешних областей галактик.

101.

Тёмная энергия — феномен, проявляющийся в обнаруженном
нарушении закона Хаббла: Вселенная расширяется с
ускорением.
Самое простое объяснение заключается в том, что тёмная энергия
— это просто «стоимость существования пространства»: то есть,
любой объём пространства имеет некую фундаментальную,
неотъемлемо присущую ему энергию.
Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку она
является энергетической плотностью чистого вакуума. Это и
есть космологическая константа, иногда называемая «лямбдачлен» (по имени греческой буквы Λ, используемой для её
обозначения в уравнениях общей теории относительности).
Введение космологической константы в стандартную
космологическую модель, основанную на метрике Фридмана
— Лемэтра — Робертсона — Уокера, привело к появлению
современной модели космологии, известной как лямбда-CDM
модель.

102.

Альтернативный подход исходит из предположения,
что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные
возбуждения некоего динамического скалярного поля,
называемого квинтэссенцией.
Отличие от космологической константы в том, что плотность
квинтэссенции может варьироваться в пространстве и
времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и
формировать крупномасштабные структуры по примеру
обычной материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень
легкой, то есть иметь большую комптоновскую длину
волны.
Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не
обнаружено, но исключить такое существование нельзя.
Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное
ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой
космологической константы.

103.

Существование скалярных полей предсказывается стандартной
моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема,
аналогичная варианту с космологической константой:
теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля
должны приобретать значительную массу.
В некоторых моделях поле квинтэссенции имеет плотность,
которая подстраивается к плотности излучения (не достигая
её) до того момента развития Большого Взрыва, когда
складывается равновесие вещества и излучения.
После этого момента квинтэссенция начинает вести себя как
искомая «тёмная энергия» и в конце концов господствует во
Вселенной.
Такое развитие естественным образом устанавливает низкое
значение уровня тёмной энергии.

104. Как увидеть темную материю

105. Ультрарелятивистские объекты

106. Квазары и пульсары

107. Квазары

108. Может быть, так все происходит?

109. Экзотика (И. Д. Новиков, К. Торн)

110.

Возможно, скоро будут найдены принципиально
новые подходы к описанию того, что мы видим…
Возможно, что статья с этими новыми идеями уже
поступила в редакцию какого-нибудь научного
издания.
Подобно тому, как в 1917 году в редакцию журнала
“Annalen der Physik” поступила статья молодого
служащего патентного бюро…

111.

Спасибо
за ваше внимание!
Циовкин Юрий Юрьевич, проф. д.ф.м.н.
Руководитель МЦ г. Санкт-Петербурга
Федотова Ирина Ивановна
+7 812 339-06-98
[email protected]