Temat

Teoria Wielkiego Wybuchu i etapy rozwoju Wszechświata

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

III. Grawitacja i elementy astronomii. Uczeń:

5) opisuje Wielki Wybuch jako początek znanego nam Wszechświata; zna przybliżony wiek Wszechświata, opisuje rozszerzanie się Wszechświata (ucieczkę galaktyk).

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisuje teorię Wielkiego Wybuchu.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Wymienia etapy rozwoju Wszechświata.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- wyjaśnia, czym jest teoria Wielkiego Wybuchu,

- opisuje etapy rozwoju Wszechświata.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Uczniowie przypominają prawo Hubble’a.

Przypomnij prawo Hubble’a dotyczące ucieczki galaktyk.

Realizacja lekcji

Nauczyciel wprowadza ideę teorii Wielkiego Wybuchu.

Jedną z najbardziej rozpowszechnionych teorii opisujących powstanie i rozwój naszego Wszechświata jest teoria Wielkiego Wybuchu. Według niej początek Wszechświata miał miejsce w jednym punkcie mającym nieskończoną gęstość i temperaturę. Jest to punkt, gdzie nie działały znane nam prawa fizyki, jak również nie istniały pojęcia czasu i przestrzeni.

Na początku przyjmowano, że Wszechświat jest statyczny, jednak Hubble zaobserwował, że wszystkie odległe galaktyki oddalają się od nas i to tym prędzej im bardziej są oddalone.

Teoria Wielkiego Wybuchu opisuje ewolucję Wszechświata od jego początku do chwili obecnej, przyjmując, że cały czas się on rozszerza.

Definicja:
Kosmologia - to nauka zajmująca się budową i ewolucją Wszechświata.

W ewolucji Wszechświata wyróżnia się ery kosmologiczne:

Era Plancka (czas trwania: 0 do 10Indeks górny -43^-43 s):

Pierwsza faza rozwoju wczesnego Wszechświata to tzw. Era Plancka. Obejmowała ona czas od 0 do 10Indeks górny -43^-43 s. Zakłada się, że panowały bardzo wysokie temperatury rzędu 10Indeks górny 32³² K. Nie umiemy jeszcze opisać, jaki był to stan ani jakie procesy w nim zachodziły.

Era hadronowa (czas trwania: 10Indeks górny -43^-43 do 10Indeks górny -32^-32 s):

Okres pomiędzy 10Indeks górny -43^-43 s a 10Indeks górny -32^-32 s to czas, w którym rozmiary Wszechświata powiększyły się 10Indeks górny 20²⁰ - 10Indeks górny 26²⁶ razy – ten okres nazywamy erą inflacyjną. Po zakończeniu tego etapu przestrzeń Wszechświata składała się z gorącej i gęstej mieszaniny kwarków, antykwarków i gluonów oraz fotonów, elektronów i pozytonów. Panująca temperatura jest nieco niższa – rzędu 10Indeks górny 27²⁷ to 10Indeks górny 28²⁸ K.

Definicja:
Hadrony - silnie oddziałujące cząstki elementarne, zbudowane z kwarków oraz gluonów. Należą do nich np. proton i neutron.

Era leptonowa (czas trwania: 10Indeks górny -4^-4 do 10 s):

Następnym etapem było łączenie się kwarków w protony i neutrony, a gdy Wszechświat istniał jedną sekundę, a jego temperatura obniżyła się do 5 mld kelwinów, nastąpiły procesy anihilacji elektronów i pozytonów (po zetknięciu się elektronu i pozytonu obie cząstki znikają, a zamiast nich pojawiają się dwa fotony promieniowania gamma), w wyniku czego zwiększyła się liczba fotonów.

Definicja:
Leptony - lekkie cząstki elementarne, do których należy 6 cząstek i 6 odpowiadających im neutrin. Każda z nich ma swoją antycząstkę. Są to: elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe oraz odpowiadające im antycząstki: pozyton (antyelektron), antymion, antytaon i antyneutrina.

Era promieniowania (czas trwania: 10 s do ok. 100 mln lat):

Rozpoczęła się era nukleosyntezy – powstawały jądra atomowe deuteru, trytu, helu. Trwała około 4 minut i właśnie wtedy ustalił się skład Wszechświata (około 75% protonów i 24% jąder helu). Potem jądra ciężkie nie mogły już powstawać, gdyż temperatura stała się zbyt niska, aby jądra helu mogły się łączyć i tworzyć cięższe jądra.

Dalsze rozszerzanie się Wszechświata prowadziło do obniżenia temperatury – protony i jądra helu mogły się łączyć z elektronami w obojętne atomy wodoru i helu. Powstało wtedy promieniowanie, które w tej chwili obserwujemy jako promieniowanie reliktowe – mikrofalowe promieniowanie tła.

Era galaktyczna (czas trwania: 100 mln lat – do teraz/przypuszczalnie 13,7 mld lat):

Nastąpiła era formacji gwiazd (ok. 100 mln lat), które następnie zaczęły łączyć się w galaktyki (ok. 500 mln lat). Słońce i Układ Słoneczny powstały ok. 4,6 miliardów lat temu.

Średnia temperatura w Kosmosie wynosi T = 2,725 K.

[Grafika interaktywna]

Podsumowanie lekcji

Teoria Wielkiego Wybuchu opisuje możliwy scenariusz powstania Wszechświata. Obserwacje astronomiczne potwierdzają rozszerzanie się Wszechświata oraz pozwalają określić jego wiek. Obecny stan wiedzy nie pozwala jednak na znalezienie jednoznacznej odpowiedzi, jak wyglądał absolutny początek Wszechświata.