Чем ограничены наши возможности при изучении объектов вселенной
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 10. Масштабы Вселенной
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Что понимают под Вселенной? Что такое макромир, наномир, микромир и мегамир и каковы их масштабы? С помощью каких средств изучаются различные объекты Вселенной? Чем ограничены наши возможности при изучении объектов Вселенной? Как знания о различных объектах Вселенной могут быть наглядно представлены?
Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Структура (от лат. structura – строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих сохранение его основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.
Масштаб – отношение двух линейных размеров. Отношение натуральной величины объекта к величине его изображения.
Мегамир (от греч. μέγας – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет (звезды, черные дыры, звездные скопления, галактики, скопления галактик).
Макромир (от греч. μάκρος – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с масштабами жизни на Земле (доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств).
Световой год – расстояние, которое свет проходит за 1 год (9,46∙10 12 км).
Астрономическая единица (а.е.) – расстояние, равное среднему расстоянию Земли от Солнца (149,6 млн. км).
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 44-49.
2. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 102-103, 126, 212-216, 234-235, 274-279.
3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 267-270.
4. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 209-211.
Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии)
Новая философская энциклопедия. Вселенная. URL:
Физический энциклопедический словарь. Космология. URL:
Химия и жизнь. – 2017. – №5. URL:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Наука изучает самые разные объекты материального мира: от звезд, удаленных от нас на десятки световых лет, до атомов, размеры которых составляют сто миллионные доли сантиметра. Как же можно систематизировать знания о столь разных объектах природы?
Окружающий нас материальный мир очень разный, его объекты могут очень сильно отличаться по своим пространственно-временным характеристикам. Доступные нашим органам чувств объекты принято называть макромиром, например, Земля и ее окрестности, человек, животные, растения. Звезды и их скопления, галактики, имеющие гигантские размеры и удаленные на огромные от нас расстояния, образуют мегамир. Мельчайшие объекты, такие как атомы и элементарные частицы, составляю микромир.
Все это многообразие существующих вокруг нас материальных объектов принято называть Вселенной. Разнообразные структуры Вселенной различаются не только своими пространственно-временным характеристикам, но и образующими их структурными элементами и закономерностями своего существования и развития. Используя различные средства и методы исследования, наука сначала получает знания об отдельных структурах Вселенной, а затем эти знания систематизирует.
Рассмотрение Вселенной как сложно организованной системы позволяет выделить в ней отдельные структурные области: мегамир, макромир и микромир. Сразу отметим, что границы между этими мирами достаточно условны.
Наглядное представление о размерах объектов макро-, мега и микромира можно получить, если мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу во много раз.
Если для примера взять сферу радиусом 10 см, объекты такого размера относятся к макромиру, и увеличить ее в миллиард раз, то получим сферу радиусом 100 000 км. 100 000 км это приблизительно четверть того расстояния, на которое Луна удалена от Земли. Спутник нашей планеты – Луна (средний радиус около 1,7 тысяч км), и остальные небесные тела Солнечной системы (несмотря большую удаленность от Земли) достаточно хорошо изучены.
В сферу этих размеров попадает большое число объектов макромира. Так средний радиус планеты Земля около 6,4 тысяч км, ее газовая оболочка – атмосфера, простирается на расстояние 100 км от ее поверхности. Водная оболочка Земли – мировой океан, занимает площадь 361,1 миллионов квадратных километров, что составляет более 70% земной поверхности.
Нашу планету населяет огромное число живых организмов, многообразие которых представлено миллионами видов. Размеры их варьируются в больших пределах. Так синий кит может достигать в длину более 30 метров и иметь массу полторы сотни тонн. Размеры бактериальных клеток оцениваются микрометрами (тысячные доли миллиметра). Для того чтобы их увидеть необходимо воспользоваться микроскопом. Все живые структуры состоят из веществ, а их существование подчиняется биологическим законам.
Таким образом, макромир – это структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с жизнью на Земле. Материя на этом структурном уровне Вселенной представлена полем и веществом и организована в различные неживые и живые структуры, существование и развитие которых определяется особенностями их организации.
Обратимся теперь к обсуждению космических размеров. Земля находится от Солнца в среднем на расстоянии 149,6 млн. км. Это расстояние в астрономии принимается за 1 астрономическую единицу (а.е.). Самая дальняя планета Солнечной системы – Нептун находится от Солнца на расстоянии около 30 а.е. Размеры Солнечной системы и расстояния, на которых находятся ближайшие к нам звезды, будут составлять уже сотни тысяч астрономических единиц.
Для таких больших расстояний используют световые единицы. Эти единицы показывают, сколько времени потребуется свету, чтобы пройти определенное расстояние. 1 световой год равен приблизительно 9,46∙10 12 км. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 минут. Размер Солнечной системы оценивается примерно в 2 световых года. Ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра, расположена на расстоянии более 4 световых лет.
Космическое пространство в радиусе 10 14 км или 10 световых лет от Солнца содержит около десятка звезд. Расстояния до них, а также их возраст, массы, размеры, состав, температуры поверхностей, светимость ученые уже определили достаточно точно. Размеры в десятки световых лет – это масштабы мегамира. Так, размер нашей галактики Млечный путь составляет около 100 тысяч световых лет (диаметр). Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако – галактики, которые находятся от нашей галактики на расстоянии 160 тысяч световых лет. Расстояние до еще одной из близких к нам галактик – галактики Андромеды составляет около 2,5 миллионов световых лет. Размеры галактик измеряются десяткам – сотнями тысяч световых лет, массы составляют от 10 7 до 10 12 масс Солнца (масса Солнца равна около 2∙10 30 кг).
Граница наблюдаемого мегамира находится от нас на расстоянии порядка 10 миллиардов световых лет. Согласно общепринятой гипотезе возраст нашей Вселенной составляет около 14 миллиардов лет, поэтому свет от объектов, удаленных более чем на 14 миллиардов световых лет, ещё до нас не дошёл, и наблюдать такие объекты невозможно.
Таким образом, структурные уровни мегамира – звезды и звездные скопления, галактики, скопления галактик. Это структуры огромных размеров, масс и энергий, их движение определяется гравитационным взаимодействием и описывается законами общей теории относительности.
Все современные методы исследования объектов различного масштаба основываются на использовании сложнейших приборов. Современные электронные микроскопы, использующие вместо света пучок электронов, позволяют получить изображения, где различимы отдельные атомы. Для изучения объектов мегамира используются, например, различные телескопы (оптические, радиотелескопы, космические телескопы) и межпланетные станции. В современных оптических телескопах размер зеркала может достигать 10 м. Главное зеркало космического телескопа Хаббла имеет диаметр 2,4 м. А рефлекторное зеркало радиотелескопа РАТАН-600 составляет 576 м.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Укажите верные утверждения:
Правильный ответ и пояснение
А. Вселенная – это все материальные объекты, окружающие нас.
Правильное утверждение. Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Б. Мегамир, макромир и микромир резко разграничены между собой.
Неправильное утверждение. Во Вселенной можно выделить некоторые структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, микромир. Границы между этими мирами достаточно условны.
В. Особые структуры микромира, лежащие в основе нанотехнологий, можно назвать наномиром.
Г. С помощью современных приборов мы можем непосредственно увидеть строение атомов и молекул.
Неправильное утверждение. Непосредственно увидеть строение атомов и молекул невозможно. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.
Д. Масштабы мегамира настолько огромны, что для их описания вводят специальную величину – световой год.
Правильное утверждение. Мегамир – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за 1 год и соответствует 9,46∙10 12 км
2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго. Правильный ответ:
Особенности структурной области Вселенной
Структурная область Вселенной
Преимущественным взаимодействием в этой структурной области Вселенной является гравитационное взаимодействие, описываемое законами общей теории относительности.
Основными фундаментальными взаимодействиями в данной структурной области Вселенной являются гравитационное и электромагнитное взаимодействия.
Ключевую роль в данной области Вселенной играют электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.
§ 15. Масштабы Вселенной
Мы думаем, что изучаем звезды,
а оказалось, что изучаем атом.
Р. Фейнман
Что понимают под Вселенной? Что такое микромир, макромир и мегамир и каковы их масштабы? Чем ограничены наши возможности при изучении больших масштабов мегамира и мельчайших масштабов микромира?
Урок-лекция
Образ вселенной. Под Вселенной понимают совокупность всех объектов, которые так или иначе наблюдаются человеком. Из них лишь немногие доступны для наблюдения с помощью органов чувств. Эту часть мира называют макромиром. Мельчайшие объекты (атомы, элементарные частицы) составляют микромир. Объекты, имеющие гигантские размеры и удаленные от нас на очень большие расстояния, называют мегамиром.
Сделайте предположение, почему С. Дали назвал свою картину «Ядерный крест».
Масштабы миров. Границы между этими мирами достаточно условны. Чтобы наглядно представить объекты макромира, микромира и мегамира, будем мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу в большое число раз.
Начнем со сферы радиусом 10 см. Это типичный размер объекта макромира. Чтобы достаточно быстро добраться до границ познанного мира, нам придется увеличивать и уменьшать сферу во много раз. Возьмем в качестве такого большого числа миллиард.
1. Увеличив сферу радиусом 10 см в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 100 000 км. Что это за размеры? Это приблизительно четверть расстояния от Земли до Луны. Такие расстояния вполне доступны для передвижения человека; так, астронавты уже побывали на Луне. Все, что имеет размеры такого порядка, следует отнести к макромиру (рис. 8).
Рис. 8 Масштабы макромира
2. Сделав увеличение еще в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 10 14 км. Это. конечно же, астрономические размеры. В астрономии для удобства измерения расстояний используют световые единицы, которые соответствуют времени, необходимому свету, чтобы преодолеть определенное расстояние.
Что же представляет собой сфера радиусом 10 св. лет? Расстояние до ближайшей к нам звезды равно примерно 4 св. года. (Солнце, конечно, тоже одна из звезд, но в данном случае мы его не рассматриваем.) Сфера радиусом 10 св. лет, центр которой находится на Солнце, содержит около десятка звезд. Расстояние в несколько световых лет уже недоступно для перемещения человека. При достижимых для человека скоростях (около 30 км/с) добраться до ближайшей звезды можно примерно за 40 ООО лет. Каких-то иных мощных двигателей, например работающих на основе ядерных реакций, в настоящее время не существует даже в проекте. Так что в обозримое время человечество вынуждено мириться с тем, что перемещение на звезды невозможно.
Конечно же, расстояние в 10 св. лет относится уже к мегамиру. Тем не менее это ближний к нам космос. Мы достаточно много знаем о ближайших к нам звездах: довольно точно измерены расстояния до них, температура их поверхности, определены их состав, размеры и масса. У некоторых звезд обнаружены спутники — планеты. Данные сведения получены при изучении спектров излучения этих звезд. Можно сказать, что сфера радиусом 10 св. лет достаточно хорошо изученный космос.
Несложно рассчитать, сколько километров составляет световой год: 1 св. год = 300 000 км/с х 3600 с х 24 ч х 365,25 сут. = 9 467 280 000 000 км ≈ 10 13 км. Таким образом, 10 14 км ≈ 10 св. лет.
3. Сделав очередное увеличение в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 10 млрд св. лет. Именно на таком расстоянии от нас находятся самые отдаленные объекты, которые мы способны наблюдать. Мы получили, таким образом, сферу, в которой лежат все наблюдаемые нами объекты Вселенной. Заметим, что объекты, находящиеся от нас на таком огромном расстоянии, — это очень яркие светила; звезда, сравнимая с Солнцем, не была бы видна даже в самые мощные телескопы.
Что находится за пределами этой сферы, сказать трудно. Общепринятая гипотеза говорит, что мы вообще не можем наблюдать объекты, удаленные от нас на расстояния более 13 млрд св. лет. Этот факт связан с тем, что наша Вселенная родилась 13 млрд лет тому назад, поэтому свет от более удаленных объектов просто еще не дошел до нас. Итак, мы добрались до границ мегамира (рис. 9).
Рис. 9. Масштабы мегамира
Граница наблюдаемой нами Вселенной находится на расстоянии приблизительно 10 млрд св. лет.
Объекты такого размера недоступны для наблюдения невооруженным глазом и даже не видны в самые мощные микроскопы, поскольку длина волны видимого света лежит в диапазоне 300—700 нм, т. е. в тысячи раз превосходит размеры объектов. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, в частности по спектрам атомов и молекул. Все картинки, на которых изображены атомы и молекулы, есть плоды модельных образов. Тем не менее можно считать, что мир атомов и молекул — мир размером порядка 0,1 нм — уже достаточно хорошо изучен и каких-то принципиально новых законов в этом мире не появится.
Какими причинами ограничен наш доступ в более мелкие масштабы? Дело в том, что основным методом изучения структуры микрочастиц является наблюдение за столкновениями между различными частицами. Законы природы таковы, что на малых расстояниях частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому, чем более мелкие масштабы исследуют ученые, тем большую энергию необходимо сообщить сталкивающимся частицам. Эта энергия сообщается при разгоне частиц на ускорителях, причем, чем большую энергию необходимо сообщить, тем больше должны быть размеры ускорителей. Современные ускорители имеют размеры в несколько километров. Для того чтобы продвинуться еще больше в глубь микромира, необходимы ускорители размером с земной шар.
Итак, теперь вы должны представлять, каким масштабам соответствует микромир (рис. 10).
Микромир 10. Масштабы микромира
Пошли вразнос Как величайшая загадка Вселенной рассорила ученых со всего мира
Кадр: фильм «Гравитация»
Космологи столкнулись с серьезной научной проблемой, которая указывает на несовершенство знаний человека о Вселенной. Сложность касается такой тривиальной, казалось бы, вещи, как скорость расширения Вселенной. Дело в том, что разные методы указывают на разное значение, — и странное расхождение пока никто не может объяснить. «Лента.ру» рассказывает об одной из самых таинственных загадок современной космологии.
Космическая тайна
В настоящее время стандартная космологическая модель «Лямбда-CDM» (ΛCDM) наиболее точно описывает эволюцию и строение Вселенной. Согласно этой модели, Вселенная имеет ненулевую положительную космологическую постоянную (лямбда-член), вызывающую ускоренное расширение. Кроме того, ΛCDM объясняет наблюдаемую структуру реликтового излучения (космического микроволнового фона), распределение галактик во Вселенной, обилие водорода и других легких атомов, а также саму скорость расширения вакуума. Однако серьезное расхождение скорости расширения может свидетельствовать о необходимости радикального изменения модели.
Физик-теоретик Вивиан Пулен (Vivian Poulin) из Национального центра научных исследований Франции и Лаборатории Вселенной и элементарных частиц в Монпелье утверждает, что это означает следующее: в молодой Вселенной произошло что-то важное, о чем мы пока не знаем. Возможно, это было явление, связанное с неизвестным типом темной энергии или новой разновидностью субатомных частиц. Если модель будет учитывать его, то несоответствие исчезнет.
Изображение: WMAP Science Team / NASA
На пороге кризиса
Одним из способов определения скорости расширения Вселенной является изучение микроволнового фона — реликтового излучения, которое возникло спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. С помощью ΛCDM можно вывести постоянную Хаббла, измерив крупные флуктуации реликтового излучения. Она оказалась равна 67,4 километра в секунду на каждый мегапарсек, или примерно три миллиона световых лет (с такой скоростью расходятся друг от друга объекты, удаленные на соответствующее расстояние). При этом погрешность составляет всего лишь 0,5 километра в секунду на мегапарсек.
Если мы получим примерно то же самое значение с помощью другого метода, то это подтвердит справедливость стандартной космологической модели. Ученые измеряли видимую яркость стандартных свечей — объектов, светимость которых всегда известна. Такими объектами являются, например, сверхновые типа Ia — белые карлики, которые больше не могут поглощать вещество от крупных звезд-компаньонов и взрываются. По видимой яркости стандартных свечей можно определить расстояние до них. Параллельно можно измерить красное смещение сверхновых, то есть сдвиг длин волн света в красную область спектра. Чем больше красное смещение, тем больше скорость удаления объекта от наблюдателя.
Фото: U.Texas / CXC / NASA
Таким образом становится возможно определить скорость расширения Вселенной, которая в данном случае оказывается равной 74 километра в секунду на каждый мегапарсек. Это не соответствует значениям, полученным из ΛCDM. При этом маловероятно, что погрешность в измерении способна объяснить расхождение.
По словам Дэвида Гросса (David Gross) из Института теоретической физики имени Кавли при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, в физике частиц такое расхождение называлось бы не проблемой, а кризисом. Однако ряд ученых не согласился с подобной оценкой. Ситуацию осложнил другой метод, который также основан на изучении ранней Вселенной, а именно барионных акустических осцилляций — колебаний в плотности видимого вещества, заполняющего раннюю Вселенную. Эти колебания вызваны акустическими волнами плазмы, и они всегда имеют известные размеры, что делает их похожими на стандартные свечи. В сочетании с другими измерениями они дают постоянную Хаббла, согласующуюся с ΛCDM.
Новая модель
Есть вероятность, что ученые совершили ошибку при использовании сверхновых типа Ia. Чтобы определить расстояние до отдаленного объекта, необходимо построить лестницу расстояний. Первой ступенью этой лестницы являются цефеиды — переменные звезды с точной зависимостью период-светимость. С помощью цефеид можно определить расстояние до ближайших сверхновых типа Ia. В одном из исследований вместо цефеид использовали красные гиганты, которые на определенном этапе жизни достигают максимальной яркости — у всех красных гигантов она одинакова. В итоге постоянная Хаббла оказалась равной 69,8 километра в секунду на мегапарсек. Кризиса нет, заявляет Венди Фридман (Wendy Freedman) из Чикагского университета, одна из авторов этой работы.
Но и это утверждение было поставлено под сомнение. Сотрудники коллаборации H0LiCOW измерили постоянную Хаббла, используя гравитационное линзирование — эффект, который возникает, когда массивное тело искривляет лучи, идущие от далекого объекта позади него. Последние могут быть квазарами — ядрами активных галактик, питаемых сверхмассивной черной дырой. Из-за гравитационных линз могут возникать сразу несколько изображений одного квазара. Измеряя мерцание этих изображений, ученые вывели уточненное значение постоянной Хаббла в 73,3 километра в секунду на мегапарсек. При этом ученые до последнего не знали возможный результат, что исключает возможность подтасовки.
Результат измерения постоянной Хаббла по природным мазерам, образующимся при вращении газа вокруг черной дыры, оказался равен 74 километра в секунду на мегапарсек. Другие методы дали 76,5 и 73,6 километра в секунду на мегапарсек. Проблемы возникают и в измерении распределения вещества во Вселенной, поскольку гравитационное линзирование дает другое значение по сравнению с измерениями микроволнового фона.
Если окажется, что несоответствие не вызвано ошибками в измерениях, то потребуется новая теория, которая объяснит все имеющиеся на настоящий момент данные. Одно из возможных решений заключается в изменении количества темной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. Хотя большинство ученых выступает за то, что удастся обойтись без обновления физики, проблема пока остается нерешенной.