РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ОРГАНИЗАЦИИ ПРЕДПРОФИЛЬНОЙ
ПОДГОТОВКИ С ОРИЕНТАЦИЕЙ НА
ЕСТЕСТВЕННО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ПРОФИЛЬ
Ф И З И К А
Материалы разработаны
Л.Б.Богаткиной, Г.Г.Никифоровым,
В.А.Орловым и Е.К.Страутом
ЧТО СЛУЧИЛОСЬ, КОГДА ВО ВСЕЛЕННОЙ
ЕЩЕ НИЧЕГО НЕ БЫЛО?
Введение
Целесообразность включения в состав курса предпрофильной подготовки уроков, посвященных проблемам современной космологии –строению и эволюции Вселенной - диктуется несколькими обстоятельствами.
Формирование мировоззрения школьников, которое попрежнему считается одной из главных задач образования, непременно должно предусматривать их знакомство с современной научной картиной мира. При этом важно, что эволюционный характер современной картины мира, который обоснован теоретически и подтвержден астрономическими наблюдениями, является той существенной особенностью, которая отличает ее от представлений о мироздании, сложившихся на протяжении всех предшествующих эпох. Открытие эволюции Вселенной считается одним из наиболее важных достижений науки ХХ века.
Идея эволюции неживой природы имеет самую тесную связь с проблемами экологии, которые широко представлены в различных школьных предметах, а также проблемами возникновения жизни на Земле и существования жизни вне ее. Однако, эта идея практически не затрагивается в естественнонаучных курсах для основной школы, что представляется нам весьма существенным пробелом в содержании образования, который необходимо в будущем ликвидировать.
Общая направленность занятий
Очевидно, что главной целью изучения основных положений современной космологии является формирование современной научной картины мира.
Достижению этой цели во многом должно способствовать не только само содержание учебного материала, но и подход к изучению основ современных представлений об эволюции Вселенной. В процессе занятий целесообразно обратить внимание учащихся на целый ряд интересных и во многом поучительных моментов в становлении и развитии идеи эволюции Вселенной, раскрывая при этом некоторые вопросы методологии научных исследований. В частности, преемственность научных теорий, взаимосвязь теории и наблюдений (эксперимента), роль интеграции достижений различных наук в процессе разработки сложнейших научных проблем, ярким примером которых является современная космология. Все это позволяет не только показать учащимся те трудности, которые пришлось преодолевать ученым, но и привести убедительные свидетельства тех исключительных возможностей, которыми располагает наука для преодоления казалось бы непреодолимых препятствий на пути ее развития.
Теоретическим фундаментом современных космологических моделей является общая теория относительности А.Эйнштейна – релятивистская теория тяготения, изучение которой в средней школе, к сожалению, представляется весьма трудным делом. Поэтому ознакомление учащихся с теми выводами о неизбежности процесса эволюции Вселенной в целом, которые были сделаны на основании этой фундаментальной теории, может стать первым шагом на пути ее более глубокого познания в процессе дальнейшего обучения, возможного в классах физико-математического профиля.
Основное содержание
В процессе проведения занятий, которые можно считать первым этапом изучения основ современной космологии, желательно ограничиться рассмотрением следующих вопросов:
1. Что изучает космология.
2. Эффект Доплера. «Красное смещение» в спектрах галактик.
3. Нестационарность Вселенной – неизбежное следствие действия сил тяготения.
4. Гипотеза «горячей Вселенной» и ее следствия.
5. Открытие реликтового излучения – важнейшее наблюдательное подтверждение современных космологических представлений.
6. «Большой взрыв» и его особенности.
7. Состояние вещества на начальных этапах расширения Вселенной.
1. Космология – это физическое учение о Вселенной как целом, основанное на наблюдательных данных и теоретических выводах. На протяжении всей истории существования цивилизации человечество стремилось представить структуру всего окружающего мира. На каждом историческом этапе представления о Вселенной отражали достигнутый человечеством уровень знаний и опыт изучения природы. Космологические представления менялись по мере того как расширялись масштабы познанной человечеством части Вселенной.
Первой космологической моделью, которая имела теоретическое (математическое) обоснование, можно считать геоцентрическую систему мира, преложенную К.Птолемеем во II в. нашей эры. Через полторы тысячи лет ее на смену пришла гелиоцентрическая система мира Н.Коперника. По сути дела эта модель представляла лишь строение Солнечной системы, поскольку только она и была хорошо изученной системой.
В начале ХХ в. стало складываться представление о Вселенной как о мире галактик. В то же самое время в 1917 г. А.Эйнштейном была создана общая теория относительности (ОТО), которой было суждено стать теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной. Он понимал значение своей теории для космологии и потому сразу же стал выяснять имеют ли уравнения ОТО, применимые ко всей Вселенной, решения, которые описывают ее состояние, не меняющееся со временем.
2. В 1922-24 гг. российский математик А.А.Фридман, применив уравнения Эйнштейна к описанию всей Вселенной, получил общие решения этих уравнений, из которых следовало, что галактики, заполняющие все ее пространство должны либо удаляться друг от друга либо сближаться.
Важное подтверждение теоретические выводы Фридмана получили благодаря наблюдениям Э.Хаббла. Измеряя лучевые скорости галактик, он обнаружил, что в их спектрах линии смещены к красному его концу, что согласно эффекту Доплера означало их удаление. В дальнейшем сравнивая величину «красного смещения» в спектрах различных галактик, Хаббл установил закон, который впоследствии был назван его именем. Согласно закону Хаббла скорости удаления любой галактики от нас пропорциональны расстоянию до нее: V = H · R.
Признавая исключительную важность этого открытия и других его заслуг, как одного из выдающихся астрономов-наблюдателей, имя Хаббла было присвоено крупнейшему космическому телескопу, который был выведен США на околоземную орбиту в 1990 г. Этот телескоп и до сих пор используется для получения высококачественных изображений и другой информации о различных космических объектах, в частности, далеких галактик.
Однако из закона Хаббла вовсе не следует, что наша Галактика занимает какое-то исключительное положение во Вселенной. Наоборот, обнаруженное в спектрах галактик «красное смещение» означает, что все галактик (за исключением наиболее близко друг к другу расположенных) взаимно удаляются друг от друга. Иначе говоря, закономерность расширения, которая описывается законом Хаббла, одинакова для наблюдателя, находящегося в любой точке пространства. Таково общее свойство того пространства, в котором мы живем. В этой связи следует вспомнить слова А.Эйнштейна, сказанные им в ответ на просьбу коротко сформулировать сущность общей теории относительности. Его ответ сводился к следующему: «Прежде считалось, что свойства пространства не зависят от наличия в нем тел. Из теории относительности следует, что свойства пространства зависят от наличия в нем тел».
3. Открытие Э.Хабблом «красного смещения» в спектрах галактик и теоретические работы А.А.Фридмана показали, что Вселенная не может быть стационарной. Более того, можно сказать, что если бы наблюдения не показали систематического смещения линий в спектрах галактик, то это означало бы отсутствие нестационарности Вселенной. Отсюда с неизбежностью было бы необходимо сделать вывод о том, что законы тяготения (как Ньютона, так и Эйнштейна) нуждаются в уточнении, что наряду с гравитационными силами, подчиняющимися закону всемирного тяготения, существует какая-то еще неизвестная универсальная сила, которая мешает тяготению сделать Вселенную нестационарной.
Работы Хаббла и Фридмана явились лишь началом изучения эволюции Вселенной, можно сказать, ее механики. Но именно они открыли дорогу последующим исследованиям физики тех процессов, которые происходили во Вселенной на различных ее эволюции.
Развернувшиеся на протяжении ХХ века исследования затронули целый ряд фундаментальных проблем физики и позволили достичь во многих из них очень существенных и важных для современной науки результатов.
Взаимное удаление галактик означает, что в прошлом они были гораздо ближе расположены друг к другу, чем в современную эпоху. Закон Хаббла дает возможность оценить время, которое прошло с момента начала их разбегания – начала расширения Вселенной. Это время составляет примерно 15-20 млрд. лет.
Нетрудно убедиться, что в столь отдаленную эпоху плотность вещества во Вселенной была столь велика, что ни галактики, ни звезды и никакие другие наблюдаемые в настоящее время объекты просто не могли существовать.
4. В 1948 г. Г.А.Гамовым и его сотрудниками была высказана гипотеза о том, что на начальных стадиях расширения Вселенной ее вещество имело не только огромную плотность, но и очень высокую температуру. На основе этой гипотезы они сделали попытку объяснить происхождение химических элементов и их распространенность в современной Вселенной. Первоначально эта попытка оказалась неудачной и только впоследствии справедливость этой гипотезы была подтверждена многими данными наблюдений.
Так выяснилось, что химический состав звезд, в котором преобладает водород, согласуется с представлениями о «горячей Вселенной». В том случае, если бы на начальной стадии температура во Вселенной была низкой, вещество звезд должно было бы полностью состоять из гелия.