Тест по астрономии: Расширяющаяся вселенная (10-11 класс)
Тест по астрономии «Расширяющаяся вселенная» для 10-11 классов — это проверочная работа, предназначенная для оценки знаний учащихся о современных космологических моделях, эволюции Вселенной и законах ее расширения. Тест охватывает темы от теоретических предсказаний А.А. Фридмана до закона Хаббла и геометрии пространства-времени.
1
Кто из ученых впервые в рамках общей теории относительности теоретически доказал, что Вселенная не может быть стационарной?
Правильный ответ:
Александр ФридманПояснение:
Впервые космологическую модель нестационарной Вселенной на основе уравнений общей теории относительности рассмотрел советский математик Александр Александрович Фридман. Именно он показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, обязана либо расширяться, либо сжиматься, опровергнув представление о её статичности.2
Какое наблюдательное открытие экспериментально подтвердило теоретические выводы о расширении Вселенной?
Правильный ответ:
Открытие красного смещения в спектрах галактикПояснение:
Вывод о расширении Вселенной был подтвержден американским астрономом Эдвином Хабблом. Он обнаружил красное смещение в спектрах далеких галактик, которое, согласно эффекту Доплера, свидетельствует об удалении источника света. Это стало доказательством разбегания галактик.3
От какого физического параметра зависит будущее Вселенной (будет ли она расширяться вечно или сжатие сменит расширение)?
Правильный ответ:
От средней плотности вещества во ВселеннойПояснение:
Характер будущего движения и геометрия Вселенной зависят от соотношения средней плотности вещества во Вселенной и критической плотности. Если средняя плотность больше критической, расширение сменится сжатием; если равна или меньше — расширение будет продолжаться неограниченно.4
Чему, согласно закону Хаббла, пропорциональна скорость удаления галактик?
Правильный ответ:
Расстоянию до галактикиПояснение:
Согласно закону Хаббла, скорость разбегания (удаления) галактик прямо пропорциональна расстоянию до них. Это означает, что чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Коэффициентом пропорциональности выступает постоянная Хаббла.5
Какая геометрия пространства реализуется во Вселенной, если средняя плотность вещества больше критической (ρ > ρкр)?
Правильный ответ:
Геометрия Римана (положительная кривизна)Пояснение:
Если средняя плотность вещества во Вселенной превышает критическую, то пространство обладает положительной кривизной и описывается геометрией Римана. В таком пространстве Вселенная замкнута, подобно сфере, а сумма углов в треугольнике больше 180 градусов.6
Чему равна сумма углов треугольника космических масштабов в модели Вселенной с плотностью меньше критической (ρ < ρкр)?
Правильный ответ:
Меньше 180 градусовПояснение:
Если средняя плотность вещества меньше критической, во Вселенной работают законы геометрии Лобачевского (геометрия на поверхности седла). В таком пространстве с отрицательной кривизной сумма углов любого треугольника всегда меньше 180 градусов.7
Как называется часть Вселенной, доступная современным методам астрономических наблюдений?
Правильный ответ:
МетагалактикаПояснение:
Метагалактикой называют ту часть Вселенной, которая доступна для изучения современными астрономическими средствами. Она ограничена горизонтом видимости, за пределы которого свет еще не успел дойти до наблюдателя за время существования Вселенной.8
Как можно оценить возраст Вселенной, исходя из теории Большого взрыва?
Правильный ответ:
Как величину, обратную постоянной Хаббла (1/H)Пояснение:
Возраст Вселенной (время, прошедшее с момента начала расширения) можно оценить как величину, обратную постоянной Хаббла (t ≈ 1/H). Это следует из предположения, что скорость расширения оставалась примерно постоянной. Современные оценки дают значение около 13,8 млрд лет.9
Что такое критическая плотность вещества во Вселенной?
Правильный ответ:
Значение плотности, разделяющее модели вечного расширения и последующего сжатияПояснение:
Критическая плотность — это пороговое значение плотности вещества, от которого зависит дальнейшая эволюция Вселенной. Она определяется гравитационной постоянной и постоянной Хаббла и составляет примерно 0,9 · 10⁻²⁹ г/см³ (или около 10⁻²⁹ г/см³).10
Какое явление объясняется расширением Вселенной и конечным временем её существования?
Правильный ответ:
Фотометрический парадокс (почему небо ночью темное)Пояснение:
Расширение Вселенной (приводящее к красному смещению и уменьшению энергии света далеких галактик) и конечность времени её существования (свет от очень далеких звезд еще не дошел) объясняют фотометрический парадокс — тот факт, что ночное небо остается темным, несмотря на огромное количество звезд.11
Какая скорость является критерием того, будет ли галактика удаляться вечно или начнет приближаться в модели ньютоновского шара?
Правильный ответ:
Вторая космическая скоростьПояснение:
В упрощенной модели, где галактика рассматривается как тело на поверхности гравитирующего шара, её судьба зависит от соотношения скорости разбегания (по закону Хаббла) и второй космической скорости для данного шара. Если скорость меньше второй космической — начнется сжатие.12
В каком состоянии находилось вещество Вселенной около 14 миллиардов лет назад?
Правильный ответ:
В сверхплотном состоянии смеси элементарных частицПояснение:
Согласно теории Большого взрыва, около 14 миллиардов лет назад всё вещество Вселенной было сосредоточено в чрезвычайно малом объеме с колоссальной плотностью и температурой. Не существовало ни атомов, ни звезд, а была сверхплотная смесь элементарных частиц.13
Почему теорию тяготения Ньютона можно применять для объяснения некоторых аспектов расширения Вселенной?
Правильный ответ:
Потому что в небольших масштабах Вселенной теория Ньютона дает верные результатыПояснение:
Общая теория относительности является более полной, но в небольших космических масштабах и при скоростях, значительно меньших скорости света, она переходит в классическую теорию тяготения Ньютона. Поэтому локальную динамику галактик можно рассматривать в ньютоновском приближении.14
Что происходит с энергией световых квантов от далеких галактик вследствие расширения Вселенной?
Правильный ответ:
Энергия квантов уменьшается (красное смещение)Пояснение:
Из-за расширения Вселенной происходит космологическое красное смещение. Длина волны света увеличивается, что, согласно квантовой физике, ведет к уменьшению энергии фотонов (квантов света). Это одна из причин, почему свет от очень далеких галактик становится тусклым.15
Какое примерно значение имеет возраст Вселенной по современным научным данным?
Правильный ответ:
Около 13.8 миллиардов летПояснение:
На основе значения постоянной Хаббла и моделей эволюции Вселенной ученые вычислили, что Большой взрыв произошел приблизительно 13,8 миллиарда лет назад. Именно столько времени прошло с начала расширения до наших дней.16
Что такое «горизонт видимости» во Вселенной?
Правильный ответ:
Граница, за которой объекты недоступны наблюдению, так как свет от них еще не дошел до насПояснение:
Горизонт видимости — это воображаемая сфера с радиусом, равным расстоянию, которое свет прошел за время существования Вселенной. Объекты за пределами этого горизонта принципиально невидимы для нас в данный момент, так как их свет просто не успел до нас долететь.17
Какая проблема, связанная с составом Вселенной, возникла из-за того, что частицы и античастицы рождаются парами?
Правильный ответ:
Проблема барионной асимметрии (преобладания вещества над антивеществом)Пояснение:
В микромире при рождении частиц всегда возникают пары частица-античастица. Если бы это правило соблюдалось строго при Большом взрыве, вещество и антивещество аннигилировали бы полностью. Однако мы наблюдаем Вселенную из вещества, что говорит о возникшей асимметрии в первые мгновения.18
Как оценивается радиус Метагалактики в первом приближении?
Правильный ответ:
Как отношение скорости света к постоянной ХабблаПояснение:
Радиус Метагалактики (или радиус Хаббла) можно оценить, разделив скорость света на постоянную Хаббла (R = c/H). Это дает приблизительное расстояние, на котором скорость убегания галактик по закону Хаббла достигла бы скорости света. Численно это около 1,3 · 10²⁶ м.19
Какая геометрическая модель соответствует Вселенной, если её средняя плотность равна критической (ρ = ρкр)?
Правильный ответ:
Евклидова геометрия (плоское пространство)Пояснение:
Если средняя плотность вещества во Вселенной в точности равна критической плотности, то пространство является «плоским» (нулевая кривизна). В такой Вселенной выполняются привычные нам законы геометрии Евклида, например, сумма углов треугольника равна 180 градусам.20
Как называется теория происхождения Вселенной, описывающая её расширение из сверхплотного состояния?