17.3 — Галактики и Вселенная

Галактики содержат звёзды, газ, пыль и тёмную материю. Наблюдаемое красное смещение далёких галактик указывает на расширение пространства.

ФГОС · 9 классФОП · базовый уровеньинтерактивная модель

галактикарасширение Вселеннойкрасное смещениереликтовое излучение

Физическая картина

Что происходит и какие границы имеет модель.

Главная идея

Чем дальше галактика, тем в среднем быстрее она удаляется.
Реликтовое излучение — остывший свет ранней горячей Вселенной.
Космологические модели проверяют наблюдениями, а не выводят из одного изображения или измерения.

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_0r

закон Хаббла

z=\frac{\Delta\lambda}{\lambda}=\frac{\lambda_{\mathrm{набл}}-\lambda_0}{\lambda_0}

красное смещение

Разбор ситуации

Свет далёкой галактики показывает её в прошлом: телескоп одновременно является машиной времени наблюдателя.

Связи и применение

В реальном мире

Свет далёкой галактики показывает её в прошлом: телескоп одновременно является машиной времени наблюдателя.

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 «Галактики и Вселенная» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: галактика, расширение Вселенной, красное смещение.

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

Термины темы

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

галактика: Гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи.
расширение Вселенной: Увеличение со временем космологических расстояний между несвязанными структурами, описываемое масштабным фактором.
красное смещение: Относительное увеличение наблюдаемой длины волны по сравнению с лабораторной.
реликтовое излучение: Космическое микроволновое фоновое излучение, сохранившееся от горячей ранней Вселенной.

Происхождение и вывод формул

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

v=H_0r

эмпирический закон

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

z=\frac{\Delta\lambda}{\lambda}>0

В спектрах далёких галактик измеряют красное смещение линий и по нему оценивают скорость удаления.

v\propto r

Наблюдения показывают приблизительно линейный рост скорости удаления с расстоянием до галактики.

v=H_0r

Коэффициент H_0 определяют по астрономическим данным; закон Хаббла установлен наблюдениями, а не доказан одной лишь геометрией.

Условия: Космологические расстояния, где общий поток расширения преобладает над собственными скоростями галактик; линейная форма применима при малом красном смещении. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

z=\frac{\Delta\lambda}{\lambda}=\frac{\lambda_{\mathrm{набл}}-\lambda_0}{\lambda_0}

определение

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

\Delta\lambda=\lambda_{\mathrm{набл}}-\lambda_0

Сдвиг спектральной линии находят как разность наблюдаемой и лабораторной длин волн.

z\equiv\frac{\text{сдвиг длины волны}}{\text{исходная длина волны}}

Красное смещение вводят определением как относительное, поэтому безразмерное изменение длины волны.

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

Положительное z соответствует смещению к большим длинам волн, отрицательное — синему смещению.

Условия: Сравниваются одна и та же надёжно идентифицированная спектральная линия в источнике и лаборатории; λ в знаменателе означает её исходную длину λ_0. 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: Чем дальше галактика, тем в среднем быстрее она удаляется.

Как проверить рассуждениеРеликтовое излучение — остывший свет ранней горячей Вселенной. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Вывод по теме

Галактики и Вселенная

Чем дальше галактика, тем в среднем быстрее она удаляется.
Реликтовое излучение — остывший свет ранней горячей Вселенной.
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.