Тест по астрономии: Конечность и бесконечность вселенной — парадоксы классической космологии (10-11 класс)
Тест по астрономии «Конечность и бесконечность вселенной — парадоксы классической космологии» для 10-11 классов — это проверочная работа углубленного уровня, направленная на диагностику понимания учащимися фундаментальных проблем строения мироздания. Вопросы охватывают эволюцию космологических взглядов от античности до теории относительности, парадоксы ньютоновской физики и основы общей теории относительности.
1
В чем заключается главная трудность космологии как науки по сравнению с изучением отдельных небесных тел?
Правильный ответ:
Вселенная уникальна, и мы не можем посмотреть на нее со стороны или сравнить с другой ВселеннойПояснение:
Правильный ответ — Вселенная уникальна. В отличие от звезд или галактик, которые существуют во множестве и на разных стадиях эволюции (что позволяет сравнивать их и строить статистику), Вселенная является единственным объектом своего класса, доступным нам для наблюдения. Мы находимся внутри нее и не имеем возможности внешнего наблюдения.2
Какого представления о Вселенной придерживались ученые античности, а также Коперник и Браге?
Правильный ответ:
Вселенная конечна, статична и ограничена сферой неподвижных звездПояснение:
Правильный ответ — Вселенная конечна и ограничена. До развития ньютоновской физики господствующим мировоззрением была идея «закрытого мира». Считалось, что материальный мир заканчивается на сфере неподвижных звезд, за которой нет пространства в физическом смысле. Вселенная также считалась неизменной во времени (статичной).3
Почему Исаак Ньютон, исходя из своего закона всемирного тяготения, пришел к выводу о бесконечности Вселенной?
Правильный ответ:
Чтобы избежать гравитационного коллапса (стягивания) всего вещества в единую массуПояснение:
Правильный ответ — Чтобы избежать гравитационного коллапса. Ньютон понимал, что в конечном объеме силы притяжения неизбежно заставят все тела упасть друг на друга в центр масс. В бесконечной Вселенной, равномерно заполненной звездами, силы тяготения уравновешивают друг друга во всех направлениях, что (теоретически) позволяет системе существовать.4
В чем заключается суть фотометрического парадокса (парадокса Ольберса)?
Правильный ответ:
В бесконечной стационарной Вселенной ночное небо должно быть ярким, как поверхность СолнцаПояснение:
Правильный ответ — Небо должно быть ярким. Если Вселенная бесконечна и наполнена звездами, то любой луч зрения рано или поздно упрется в звезду. Суммарная яркость неба должна быть ослепительной. Тот факт, что небо темное, противоречит классической модели бесконечной и вечной Вселенной.5
Почему предположение о поглощении света межзвездной пылью не разрешает фотометрический парадокс в классической космологии?
Правильный ответ:
Пыль со временем нагрелась бы и начала светиться так же ярко, как звездыПояснение:
Правильный ответ — Пыль нагрелась бы. В вечной Вселенной термодинамическое равновесие привело бы к тому, что любое поглощающее вещество нагрелось бы до температуры источников излучения (звезд) и само стало бы излучать столько же энергии, сколько поглощает, не уменьшая яркость неба.6
Какое фундаментальное отличие общей теории относительности (ОТО) от теории Ньютона касается скорости гравитационного взаимодействия?
Правильный ответ:
В ОТО гравитационное взаимодействие передается с конечной скоростью, равной скорости светаПояснение:
Правильный ответ — Конечная скорость, равная скорости света. Ньютоновская теория предполагала дальнодействие — мгновенную передачу силы на любые расстояния. Эйнштейн показал, что никакая информация или взаимодействие не может распространяться быстрее света, что фундаментально изменило понимание гравитации.7
Как общая теория относительности описывает природу гравитационного поля?
Правильный ответ:
Как искривление пространства-времени, создаваемое массивными теламиПояснение:
Правильный ответ — Искривление пространства-времени. В ОТО гравитация перестает быть «силой» в классическом понимании. Массивные тела меняют геометрию пространства вокруг себя, и другие тела движутся в этом искривленном пространстве по инерции (по геодезическим линиям), что мы воспринимаем как притяжение.8
Какое понятие о Вселенной отвергает фотометрический парадокс?
Правильный ответ:
Модель бесконечной, вечной и статичной ВселеннойПояснение:
Правильный ответ — Модель бесконечной, вечной и статичной Вселенной. Существование темного ночного неба доказывает, что Вселенная не может одновременно обладать этими тремя свойствами. Современная наука разрешает парадокс тем, что Вселенная имеет конечное время жизни (возраст) и расширяется.9
Что, согласно классическим представлениям Ньютона, должно было бы произойти в конечной Вселенной?
Правильный ответ:
Все вещество собралось бы в одну массу под действием гравитацииПояснение:
Правильный ответ — Все вещество собралось бы в одну массу. В конечной системе есть центр масс, к которому направлена результирующая сила тяготения. За конечное время все тела упали бы друг на друга. Только бесконечность (отсутствие центра) спасала ньютоновскую модель от коллапса.10
Какое свойство пространства перестает быть абсолютным в общей теории относительности?
Правильный ответ:
Евклидова геометрия (плоское пространство)Пояснение:
Правильный ответ — Евклидова геометрия. В присутствии гравитирующих масс геометрия пространства перестает быть евклидовой (сумма углов треугольника не равна 180 градусам, параллельные прямые могут пересекаться и т.д.). Пространство искривляется.11
Что изучает раздел астрономии, называемый космологией?
Правильный ответ:
Строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целомПояснение:
Правильный ответ — Строение и развитие Вселенной в целом. Космология занимается самыми общими вопросами: как возникла Вселенная, какова ее структура на самых больших масштабах, как она меняется со временем и каково ее будущее.12
Почему мы не видим небо сплошь покрытым дисками звезд?
Правильный ответ:
Вселенная не является стационарной и имеет конечный возраст (свет от всех звезд еще не дошел или ослаблен расширением)Пояснение:
Правильный ответ — Вселенная не стационарна и имеет конечный возраст. Это современное решение фотометрического парадокса. Так как возраст Вселенной конечен (около 13.8 млрд лет), мы видим свет только тех звезд, которые находятся в пределах наблюдаемого горизонта, а не бесконечного их числа.13
Какой термин означает «учение о Вселенной» (от греческих слов)?
Правильный ответ:
КосмологияПояснение:
Правильный ответ — Космология. Слово происходит от греческого «kosmos» (мир, Вселенная, порядок) и «logos» (учение, слово). Это научная дисциплина, находящаяся на стыке астрономии, физики и философии.14
Какое предположение о звездах лежало в основе античной и средневековой модели мира?
Правильный ответ:
Звезды неподвижно закреплены на небесной сфереПояснение:
Правильный ответ — Звезды неподвижно закреплены. Считалось, что существует «сфера неподвижных звезд», которая вращается вокруг Земли (в геоцентризме) или является границей мира (в раннем гелиоцентризме). Звезды не имели собственных движений относительно друг друга.15
Как влияет масса на пространство-время согласно теории Эйнштейна?
Правильный ответ:
Масса искривляет пространство-времяПояснение:
Правильный ответ — Масса искривляет пространство-время. Это ключевой постулат ОТО. Чем больше масса тела, тем сильнее оно искривляет геометрию окружающего мира. Это искривление определяет траектории движения других тел (гравитацию).16
Какая скорость считается предельной для передачи взаимодействий в современной физике (согласно теории относительности)?
Правильный ответ:
Скорость света в вакуумеПояснение:
Правильный ответ — Скорость света в вакууме. В теории относительности скорость света (c≈300000c approx 300 000c≈300000 км/с) является фундаментальной константой и предельной скоростью передачи любого сигнала или физического взаимодействия.17
Какое противоречие (парадокс) возникает при применении закона тяготения Ньютона к бесконечной Вселенной?
Правильный ответ:
Гравитационный парадокс (проблема расчета силы тяготения от бесконечного количества масс)Пояснение:
Правильный ответ — Гравитационный парадокс (Зелигера). В бесконечной Вселенной с равномерно распределенной материей сила тяготения, действующая на любое тело со стороны всех остальных тел, оказывается неопределенной (математически расходящийся ряд), что делает невозможным расчет движения.18
Что такое «статичная Вселенная» в понимании классической космологии?
Правильный ответ:
Вселенная, которая не меняется со временем в крупных масштабах (не расширяется и не сжимается)Пояснение:
Правильный ответ — Вселенная, которая не меняется со временем. Статичность означает неизменность глобальных свойств: средняя плотность, размеры (если они есть) и распределение материи остаются постоянными вечно. Это представление было опровергнуто открытием расширения Вселенной.19
Какое утверждение верно описывает взаимодействие света и гравитации в общей теории относительности?
Правильный ответ:
Луч света искривляется в гравитационном поле массивных телПояснение:
Правильный ответ — Луч света искривляется. Поскольку свет движется по геодезическим линиям (кратчайшим путям) пространства-времени, а массивные тела искривляют это пространство, траектория света тоже искривляется. Этот эффект наблюдается, например, при гравитационном линзировании.20
Почему с точки зрения современной науки нельзя рассматривать распределение материи в отрыве от свойств пространства?