Modele wszechświata

Zdajesz maturę z matematyki bo MUSISZ? ==> Zobacz Ekspresowy Kurs Maturalny <== i przygotuj sie do matury nawet w 7 dni!

Kategoria: Geografia Fizyczna Świata Tagi: wszechświat,

Spomiędzy czterech oddziaływań podstawowych, grawitacja jest uważana za jedyną która odgrywa ważną rolę na odległościach astronomicznych. Ponieważ każda masa przyciąga grawitacyjnie, jej efekt gromadzi się dla dużych obiektów. W oddziaływaniu elektromagnetycznym taki efekt nie występuje, gdyż różnoimienne ładunki bez problemów łączą się w neutralnie elektrycznie obiekty i dlatego też duże obiekty nigdy nie mają istotnego sumarycznego ładunku. Dwa pozostałe oddziaływania, silne i słabe, posiadają tak mały zasięg, że odgrywają istotną rolę tylko na odległościach subatomowych.

Ponieważ grawitacja spełnia kluczową rolę w tworzeniu się wszechświata, skrupulatne określenie jego historii i przyszłości wymaga dokładnej teorii ją określającej. Najlepszą obecnie znaną nam teorią grawitacji jest ogólna teoria względności autorstwa Alberta Einsteina. Do dnia dzisiejszego wszelkie przeprowadzone doświadczenia są zgodne z jej przewidywaniami. Mamy jednak bardzo niewielkie perspektywy przeprowadzania eksperymentów na kosmologicznych odległościach, istnieje możliwość że nie jest ona w takich warunkach odpowiednia. Nie istnieją inne dane które mogłyby ewentualnie ją wykluczyć.

Teoria względności daje zestaw nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych dla tensora metrycznego czasoprzestrzeni. Są to równania Einsteina. Parametrami tych wyliczeń jest rozłożenie masy i energii oraz pędu we wszechświecie, a ich rozwiązaniem, kształt wszechświata. Ze względu jednak na brak możliwości obserwacji, nie wyznaczyć tych wielkości dla odległych rejonów wszechświata. Dlatego też modele kosmologiczne tworzy się w oparciu o zasadę kosmologiczną, mówiącą że w dużych skalach wszechświat zostaje jednorodny i izotropowy. Zakłada się więc, że grawitacyjny efekt materii rozmieszczonej we wszechświecie jest jednaki do wywoływanego przez pył o tej samej średniej gęstości, rozsiany równomiernie w przestrzeni. Założenie to pozwala dość łatwo rozwiązać równania Einsteina i prognozować przyszłość oraz odkrywać przeszłość wszechświata w kosmologicznych skalach czasowych.

Równania Einsteina zawierają stałą kosmologiczną (Λ), która określa gęstość energii pustej przestrzeni. W zależności od znaku, stała kosmologiczna może gdy jest ujemna, zwalniać lub przyspieszać gdy jest dodatnia, rozszerzanie się wszechświata. Pomimo tego, że wielu fizyków, z Einsteinem na czele, zakładało że Λ ma wartość zerową, ostatnie badania supernowych podają, że ekspansja wszechświata rzeczywiście przyspiesza. Istnieje obecnie kilka możliwych wyjaśnień tego zjawiska. Jednym z nich jest dodatnia wartość Λ[.

Ogólna teoria względności pozwala na stworzenie wielu możliwych modeli wszechświata. Spomiędzy nich za wiodący uważa się ten, który najlepiej odpowiada danym obserwacyjnym. Obecnie najważniejsze te dane to:

współdziałanie odległości i przesunięcia ku czerwieni odległych galaktyk
izotropowość mikrofalowego promieniowania tła.

Pierwsza obserwacja jest tłumaczona przez powiększanie się przestrzeni. Według teorii względności, w miarę rozszerzania wszechświata, długość fali każdego fotonu powoli wzrasta, co zmniejsza przy tym jego energię. Tym samym im dłużej dany foton istnieje, tym bardziej jest przesuwany ku czerwieni. Pierwotna nukleosynteza wyjaśnia stosunek ilości pierwiastków. Wraz z rozszerzaniem się wszechświata, energia promieniowania maleje szybciej niż energia materii. Można z tego wnioskować że choć obecnie większość energii ma postać materii, w przeszłości większa część była w postaci promieniowania. Rozszerzanie było efektem spadku temperatury tego promieniowania. W końcu cząstki elementarne mogły zacząć się łączyć w coraz większe struktury. W początkowym okresie dominacji materii powstały protony oraz neutrony, które potem kumulowały się w jądra atomowe. Materia wszechświata składała się wtedy głównie z gorącej, gęstej plazmy, złożonej z elektronów, neutrin i jąder atomowych. Po wystarczającym ostygnięciu, elektrony i jądra złączyły się w atomy, co sprawiło że wszechświat został przezroczysty dla światła. Ten moment był źródłem promieniowania tła obserwowanego w dniach dzisiejszych.

Model ten nie wyjaśnia dlaczego promieniowanie tła ma prawie jednaką temperaturę we wszystkich obszarach nieba, skoro dociera do nas z miejsc, które nigdy nie miały ze sobą styczności, biorąc pod uwagę chociażby problem horyzontu. Postuluje się, że przyczyną jest inflacja kosmologiczna, która pojawiła się w ciągu pierwszych 10−35 sekund istnienia Wszechświata i powiększyła jego objętość minimum 1026 razy. Obecnie nie jest jednak znany proces fizyczny, który mógłby takie zjawisko wywołać.

Zdjęcie przestawia Sondę Cassini. Jest to artystyczna wersja testowania teorii względności. Sygnały radiowe przesyłane pomiędzy sondą a Ziemią są opóźniane przez zakrzywienie linii przekazu, spowodowane miejscem umieszczenia Słońca.
http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Plik:Cassini-science-br.jpg&filetimestamp=20060225182757

Zgodnie z teorią Alberta Einsteina, w silnym polu grawitacyjnym czas płynie wolniej niż w słabym. W polu tym wszystkie przemiany polegają spowolnieniu. Nazywane jest to dylatacją czasu. Z punktu widzenia obserwatora, silne pola grawitacyjne powodują zmianę geometrycznych własności przestrzeni, co oznacza, że np. suma kątów w trójkącie nie jest równa 180 stopniom. Czas i przestrzeń tworzą krzywiącą się czterowymiarową "czasoprzestrzeń". Siła grawitacji na powierzchni gwiazdy osiąga nieskończoną wartość, a gdy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego, grawitacja zmierza ku nieskończoności. Wtedy nie może zostać zrównoważona przez skończone ciśnienie i ciało nieuchronnie musi się zapaść do środka, co prowadzi do powstania tkz. czarnej dziury. W jej okolicy czas zaczyna biec coraz wolniej. Czarne dziury nie są wieczne, ponieważ mogą one wyparowywać w wyniku procesów kwantowych, które zachodzą w silnych polach grawitacyjnych. W próżni przestrzeń zawiera nienarodzone wirtualne cząstki i antycząstki. Jeśli nie jest im dana żadna energia, nie mogą się one stawać realnymi cząstkami. Po skurczeniu się naładowanego elektrycznie ciała i powstaniu czarnej dziury pole elektryczne ulega takiemu wzmocnieniu, że zaczynają tworzyć się pary elektronów, czyli pozytony. Kreacja par przez pole elektryczne jest realna również bez udziału czarnej dziury. Wtedy jednak pole musi jednak zostać wzmocnione.

Bibliografia:

Vademecum Matura 2009 Operon, Stasiak Janusz, Zaniewicz Zbigniew
http://pl.wikipedia.org/wiki/Wszech%C5%9Bwiat
http://pl.wikipedia.org/wiki/Wielki_Wybuch
http://www.bryk.pl/teksty/liceum/fizyka/wszech%C5%9Bwiat_i_cia%C5%82a_niebieskie/15613-wielki_wybuch_czyli_powstanie_wszech%C5%9Bwiata.html
http://www.bryk.pl/teksty/liceum/fizyka/wszech%C5%9Bwiat_i_cia%C5%82a_niebieskie/15613-wielki_wybuch_czyli_powstanie_wszech%C5%9Bwiata.html
http://www.sciaga.pl/tekst/57455-58-wszechswiat_powstanie_i_budowa
http://wapedia.mobi/pl/Wszech%C5%9Bwiat
http://wapedia.mobi/pl/Wszech%C5%9Bwiat?t=4.
http://www.astronomia.biz.pl/czarnedziury.html

Autor: Karolina Kreczmańska

Materiał udostępniony dzięki uprzejmości Pana Sławomira Dmowskiego nauczyciela z XXIV LO im. C. Norwida w Warszawie. www.geo.norwid24.waw.pl

Kategoria: Geografia Fizyczna Świata Tagi: wszechświat,

Posiadasz materiały do matury, które mogą się przydać innym maturzystom?
Wyślij je do nas na adres: materialy__malpa__maturana6.pl
Opublikujemy je w serwisie by inni też mogli z nich skorzystać
* zamien __malpa__ na @

Modele wszechświata

Bibliografia:

Podobne materiały: