34.3 — Современная космология

Космологическая модель объединяет расширение пространства, реликтовое излучение, образование лёгких элементов и развитие структуры. Её параметры уточняют независимыми наблюдениями.

ФГОС · 11 классФОП · базовый уровеньинтерактивная модель

Большой взрывреликтовое излучениетёмная материятёмная энергиягоризонт

Физическая картина

Что происходит и какие границы имеет модель.

Главная идея

Красное смещение далёких галактик в среднем растёт с расстоянием.
Тёмная материя выявляется по гравитационному действию, тёмная энергия — по ускоренному расширению.
Наблюдаемая Вселенная ограничена конечным временем распространения света, а не материальной стеной.

Как рассуждатьСначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.

Законы и величины

Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.

v=H_0d

закон Хаббла для малых расстояний

z=\frac{\lambda_{\text{наб}}-\lambda_0}{\lambda_0}

космологическое красное смещение

Разбор ситуации

Чем дальше объект, тем более раннюю стадию Вселенной мы наблюдаем, потому что его свет шёл к нам миллиарды лет.

Связи и применение

В реальном мире

Проверка модели

Сравнивайте предсказание с наблюдением, оценивайте единицы, порядок величины и влияние неучтённых факторов. Расхождение не всегда означает ошибку закона: часто идеализация перестаёт быть достаточной.

Что нужно понимать

Результат 1Объяснять физический смысл темы «Современная космология» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: Большой взрыв, реликтовое излучение, тёмная материя.

Результат 3Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.

Термины темы

Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.

Большой взрыв: Космологическая модель эволюции Вселенной из раннего горячего и плотного состояния.
реликтовое излучение: Космическое микроволновое фоновое излучение, сохранившееся от горячей ранней Вселенной.
тёмная материя: Наблюдаемая по гравитационному действию материя, не испускающая обнаружимого электромагнитного излучения.
тёмная энергия: Название компонента космологической модели, связанного с ускоренным расширением Вселенной.
горизонт: Граница области, из которой сигнал может достичь наблюдателя; смысл уточняется конкретной космологической моделью.

Происхождение и вывод формул

Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.

v=H_0d

эмпирический закон

Закон хаббла для малых расстояний. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

z=\frac{\lambda_{\text{наб}}-\lambda_0}{\lambda_0}

По смещению спектральных линий галактик измеряют красное смещение.

v\approx cz

При малом z красное смещение выражают эквивалентной скоростью удаления.

v\propto d\quad\Rightarrow\quad v=H_0d

Наблюдения показывают приблизительно линейный рост скорости с расстоянием; коэффициент наклона — постоянная Хаббла.

Условия: Малые космологические красные смещения, где v ≈ cz; расстояния достаточно велики, чтобы пекулярные скорости были малы, но релятивистская космология ещё не требовала нелинейной связи. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

z=\frac{\lambda_{\text{наб}}-\lambda_0}{\lambda_0}

определение

Космологическое красное смещение. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

\lambda_0

Лабораторная длина спектральной линии задаёт эталон без космологического растяжения.

\Delta\lambda=\lambda_{\text{наб}}-\lambda_0

Сдвиг линии равен разности наблюдаемой и эталонной длин волн.

z:=\frac{\Delta\lambda}{\lambda_0}

Деление на эталонную длину даёт безразмерную меру красного смещения.

Условия: Надёжно отождествлена одна и та же спектральная линия; λнаб и λ₀ измерены в одинаковых единицах. Для космологического расширения 1 + z = a₀/aэм. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

Границы модели и типичные ошибки

Ошибка: забыть условие моделиНельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Красное смещение далёких галактик в среднем растёт с расстоянием.

Как проверить рассуждениеТёмная материя выявляется по гравитационному действию, тёмная энергия — по ускоренному расширению. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Вывод по теме

Современная космология

Красное смещение далёких галактик в среднем растёт с расстоянием.
Тёмная материя выявляется по гравитационному действию, тёмная энергия — по ускоренному расширению.
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.

Содержание сверено с ФРП по физике ООО/СОО 2025 года и тематикой действующих линий ФПУ: И. М. Пёрышкин и соавторы (7–9), Г. Я. Мякишев и соавторы (10–11); углубления — с линиями «Инженеры будущего» и В. А. Касьянова. Формулировки оригинальные, тексты учебников не воспроизводятся.