29.E: Big Bang (Mazoezi)

Makala

Kruesi, L. “Kosmolojia: Mambo 5 Unayohitaji kujua.” Astronomia (Mei 2007): 28. Maswali matano wanafunzi huuliza mara nyingi, na jinsi cosmologists ya kisasa huwajibu.

Kruesi, L. “Jinsi Planck Ina upya Ulimwengu.” Astronomia (Oktoba 2013): 28. Habari za mapitio ya kile ujumbe huu nafasi ametuambia kuhusu CMB na ulimwengu.

Lineweaver, C. & Davis, T. “Potofu kuhusu Big Bang.” Scientific American (Machi 2005): 36. Baadhi ya mawazo ya msingi kuhusu cosmology ya kisasa yalifafanuliwa, kwa kutumia uwiano wa jumla.

Nadis, S. “Sizing Up Mfumuko wa bei.” Sky & Darubini (Novemba 2005): 32. Mapitio mazuri ya asili na vigezo vya kisasa juu ya wazo la mfumuko wa bei.

Nadis, S. “Jinsi Tunaweza kuona Ulimwengu mwingine.” Astronomia (Juni 2009): 24. Juu ya mawazo ya kisasa kuhusu multiverses na jinsi vile Bubbles ya nafasi ya muda inaweza collide.

Nadis, S. “Uso Mpya wa Nishati ya giza: Jinsi nyota zinazopuka zinabadilisha Mtazamo wetu.” Astronomia (Julai 2012): 45. Kuhusu ufahamu wetu wa kuboresha matatizo ya aina Ia supernovae.

Naze, Y. “Kuhani, Ulimwengu, na Big Bang.” Astronomia (Novemba 2007): 40. Juu ya maisha na kazi ya Georges Lemaître.

Panek, R. “Kwenda juu ya upande wa giza.” Sky & Darubini (Februari 2009): 22. Historia ya uchunguzi na nadharia kuhusu nishati ya giza.

Pendrick, D. “Je, Big Bang katika shida?” Astronomia (Aprili 2009): 48. Makala hii yenye jina la hisia ni kweli zaidi ya mapitio ya haraka ya jinsi mawazo ya kisasa na uchunguzi unavyoelezea hypothesis ya Big Bang (na kuinua maswali.)

Reddy, F. “Jinsi Ulimwengu utaisha.” Astronomia (Septemba 2014): 38. Majadiliano mafupi ya matukio ya ndani na ya jumla ya baadaye.

Riess, A. na Turner, M. “Ulimwengu wa Kupanua: Kutoka Kupungua hadi Speedup.” Scientific American (Septemba 2008): 62.

Turner, M. “Mwanzo wa Ulimwengu.” Scientific American (Septemba 2009): 36. Utangulizi wa cosmology ya kisasa.

Websites

Kosmolojia Primer: https://preposterousuniverse.com/cosmologyprimer/. Caltech Astrophysicist Sean Carroll inatoa tovuti isiyo ya kiufundi na maelezo mafupi ya mada nyingi muhimu katika cosmology ya kisasa.

Kosmolojia ya kila siku: cosmology.carnegiescience.edu/. tovuti ya elimu kutoka Carnegie Observatories na ratiba ya ugunduzi cosmological, vifaa background, na shughuli.

Jinsi kubwa Ulimwengu? : www.pbs.org/wgbh/nova/space/h... -universe.html. Insha wazi na mwanaastronomia alibainisha Brent Tully muhtasari baadhi ya mawazo muhimu katika cosmology na kuanzisha dhana ya kuongeza kasi ya ulimwengu.

Ulimwengu 101: WMAP Mission Utangulizi wa Ulimwengu: http://map.gsfc.nasa.gov/universe/. Muhtasari NASA primer juu ya mawazo ya cosmological kutoka WMAP timu ujumbe.

Cosmic Times Project: http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov/. James Lochner na Barbara Mattson wamekusanya rasilimali tajiri ya historia ya karne ya ishirini ya kosmolojia kwa namna ya taarifa za habari juu ya matukio muhimu, kutoka NASA Goddard Space Flight Center.

Video

Siku Tulipata Ulimwengu: www.cfa.harvard.edu/events/mo... archive09.html. Mwandishi maarufu wa sayansi Marcia Bartusiak anajadili kazi ya Hubble na ugunduzi wa upanuzi wa cosmo-moja ya mihadhara ya Usiku wa Observatory katika Kituo cha Harvard-Smithsonian kwa Astrofizikia (53:46).

Picha za Ulimwengu wa watoto wachanga: https://www.youtube.com/watch?v=x0AqCwElyUk. Majadiliano ya umma Lloyd Knox juu ya uvumbuzi karibuni kuhusu CMB na nini maana kwa cosmology (1:16:00).

Runaway Ulimwengu: https://www.youtube.com/watch?v=kNYVFrnmcOU. Roger Blandford (Stanford Linear Accelerator Center) hotuba ya umma juu ya ugunduzi na maana ya kuongeza kasi ya cosmic na nishati giza (1:08:08).

Kutoka Big Bang hadi tuzo ya Nobel na kuendelea na darubini ya nafasi ya James Webb na Ugunduzi wa Maisha ya Alien: svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000... 370/index.html. John Mather, NASA Goddard (1:01:02). Majadiliano yake ya Tuzo ya Nobel kuanzia Desemba 8, 2006 yanaweza kupatikana kwenye www.nobelprize.org/mediaplaye... p? id=74&view=1.

Nishati ya giza na Hatima ya Ulimwengu: https://webcast.stsci.edu/webcast/de...=1961&parent=1. Adam Reiss (STSci), katika Taasisi ya Sayansi ya Darubini ya Nafasi (1:00:00).

Shughuli za Kikundi cha

1. Sura hii inahusika na baadhi ya maswali pretty kubwa na mawazo. Baadhi ya mifumo ya imani inatufundisha kwamba kuna maswali ambayo “hatukukusudiwa kujua” majibu. Watu wengine wanahisi kwamba ikiwa akili zetu na vyombo vyetu vina uwezo wa kuchunguza swali, basi inakuwa sehemu ya haki yetu ya kuzaliwa kama kufikiria wanadamu. Je kundi lako kujadili majibu yako binafsi kwa kujadili maswali kama mwanzo wa wakati na nafasi, na hatima ya mwisho ya ulimwengu. Je, inakufanya wasiwasi kusikia kuhusu wanasayansi kujadili masuala haya? Au ni kusisimua kujua kwamba sasa tunaweza kukusanya ushahidi wa kisayansi kuhusu asili na hatima ya ulimwengu? (Katika kujadili hili, unaweza kupata kwamba wanachama wa kikundi chako hawakubaliani sana; jaribu kuheshimu maoni ya wengine.)
2. Mfano maarufu wa ulimwengu katika miaka ya 1950 na 1960 ilikuwa kinachojulikana kama cosmology ya hali ya kutosha. Katika mfano huu, ulimwengu haukuwa sawa kila mahali na kwa pande zote (homogeneous na isotropic), lakini pia ni sawa wakati wote. Tunajua kwamba ulimwengu unapanuka na galaxi zinajitokeza, na hivyo mfano huu ulidhani kuwa jambo jipya lilikuwa linaendelea kuwepo ili kujaza nafasi kati ya galaxi wakati zilivyohamia mbali mbali. Ikiwa ndivyo, ulimwengu usio na mwisho haukuwa na mwanzo wa ghafla, lakini inaweza kuwepo milele katika hali ya kutosha. Je kundi lako kujadili majibu yako kwa mfano huu. Je! Unaipata zaidi ya kuvutia falsafa kuliko mfano wa Big Bang? Je, unaweza kutaja ushahidi unaoonyesha kwamba ulimwengu haukuwa mabilioni sawa ya miaka iliyopita kama ilivyo sasa—kwamba hauko katika hali thabiti?
3. Moja ya ajali za bahati ambazo zinaonyesha ulimwengu wetu ni ukweli kwamba kiwango cha muda kwa ajili ya maendeleo ya maisha ya akili duniani na maisha ya jua ni sawa. Je kundi lako kujadili nini kitatokea kama mizani mbili wakati walikuwa tofauti sana. Tuseme, kwa mfano, kwamba wakati wa maisha ya akili kubadilika ilikuwa mara 10 zaidi kuliko maisha makuu ya mlolongo wa Jua. Je, ustaarabu wetu umewahi kuendeleza? Sasa tuseme wakati wa maisha ya akili kufuka ni mara kumi mfupi kuliko maisha ya mlolongo kuu wa Jua. Je, sisi kuwa karibu? (Majadiliano haya ya mwisho yanahitaji mawazo makubwa, ikiwa ni pamoja na mawazo kama vile hatua za mwanzo katika maisha ya Jua zilikuwa kama na ni kiasi gani Dunia ya mapema ilipigwa na asteroids na comets.)
4. Mawazo makuu yaliyojadiliwa katika sura hii yana athari kubwa juu ya mawazo ya kibinadamu, si tu kwa wanasayansi, bali pia kwa wasanii, watunzi, waigizaji, na waandishi. Hapa sisi orodha chache tu ya majibu haya kwa cosmology. Kila mwanachama wa kikundi chako anaweza kuchagua mojawapo ya haya, kujifunza zaidi kuhusu hilo, na kisha ripoti nyuma, ama kwa kikundi au kwa darasa zima.
   • Mshairi wa California Robinson Jeffers alikuwa ndugu wa mwanaastronomia aliyefanya kazi katika Observatory Shairi lake “Margrave” ni kutafakari juu ya kosmolojia na juu ya kidnap na mauaji ya mtoto: www.poemhunter.com/best-poems... fers/margrave/.
   • Katika hadithi ya sayansi ya uongo “Mine Gravity” na Stephen Baxter, nishati ya kuvukiza mashimo nyeusi supermassive ni matumaini ya mwisho ya viumbe hai katika siku zijazo mbali katika ulimwengu unaozidi kupanua. Hadithi ina maelezo ya mashairi ya hatima ya mwisho ya suala na maisha na inapatikana mtandaoni kwenye: http://www.infinityplus.co.uk/stories/gravitymine.htm.
   • Kipande cha muziki YLEM na Karlheinz Stockhausen kinachukua jina lake kutoka kwa neno la kale la Kigiriki kwa nyenzo za kwanza zilizofufuliwa na George Gamow. Inajaribu kuonyesha ulimwengu wa oscillating katika maneno ya muziki. Wachezaji kweli kupanua kupitia ukumbi wa tamasha, kama ulimwengu gani, na kisha kurudi na kupanua tena. Angalia: http://www.karlheinzstockhausen.org/ylem_english.htm.
   • Kipande cha muziki Supernova Sonata http://www.astro.uvic.ca/~alexhp/new...va_sonata.html na Alex Parker na Melissa Graham kimetokana na sifa za milipuko ya supanova ya aina 241 ya Ia, zile ambazo zimewasaidia wanaastronomia kugundua kasi ya ulimwengu unaopanuka.
   • Hadithi fupi ya Gregory Benford “Mwisho Sasa” inatazamia mwisho wa ulimwengu wa wazi unaoharakisha, na huchanganya picha za kidini na za kisayansi kwa njia ya mashairi. Inapatikana bure online katika: http://www.tor.com/stories/2010/03/the-final-now.
5. Wakati Einstein kujifunza kuhusu kazi Hubble kuonyesha kwamba ulimwengu wa galaxies ni kupanua, aliita kuanzishwa kwake kwa mara kwa mara ya cosmological katika nadharia yake ya jumla ya relativity yake “kosa kubwa.” Je, kundi lako linaweza kufikiria “makosa makubwa” mengine kutoka historia ya astronomia, ambapo mawazo ya wanaastronomia yalikuwa ya kihafidhina sana na ulimwengu uligeuka kuwa ngumu zaidi au inahitajika zaidi “nje ya sanduku” kufikiri?

Mapitio ya Maswali

1. Je, ni uchunguzi wa msingi kuhusu ulimwengu ambao nadharia yoyote ya cosmology inapaswa kuelezea?
2. Eleza baadhi ya hatima iwezekanavyo kwa ulimwengu ambao wanasayansi wamekuja nayo. Mali gani ya ulimwengu huamua ni ipi kati ya uwezekano huu ni sahihi?
3. Je, muda wa Hubble unamaanisha nini katika cosmology, na ni hesabu gani ya sasa bora kwa wakati wa Hubble?
4. Ambayo ilianzishwa kwanza: nuclei ya hidrojeni au atomi za Eleza mlolongo wa matukio ambayo imesababisha kila.
5. Eleza angalau sifa mbili za ulimwengu ambazo zinaelezewa na mfano wa kawaida wa Big Bang.
6. Eleza mali mbili za ulimwengu ambazo hazielezewa na mfano wa kiwango cha Big Bang (bila mfumuko wa bei). Je, mfumuko wa bei unaelezeaje mali hizi mbili?
7. Kwa nini wanaastronomia wanaamini ni lazima kuwe na suala la giza ambalo haliko katika mfumo wa atomi zilizo na protoni na nyutroni?
8. Nishati ya giza ni nini na ni ushahidi gani wanaastronomia wanao kuwa ni sehemu muhimu ya ulimwengu?
9. Kufikiri juu ya mawazo ya nafasi na wakati katika nadharia ya jumla ya Einstein ya relativity, tunaelezaje ukweli kwamba galaxi zote nje ya Kikundi chetu cha Mitaa zinaonyesha mabadiliko ya redshift?
10. Wanaastronomia wamegundua kuwa kuna heliamu zaidi ulimwenguni kuliko nyota zilivyoweza kuzifanya katika miaka bilioni 13.8 ambayo ulimwengu umekuwepo. Je! Hali ya Big Bang hutatua tatizo hili?
11. Eleza kanuni ya anthropic. Je! Ni mali gani za ulimwengu ambazo zinaifanya “tayari” kuwa na aina za maisha kama wewe ndani yake?
12. Eleza ushahidi kwamba upanuzi wa ulimwengu unaharakisha.

Maswali ya mawazo

1. Je, ni uchunguzi muhimu zaidi wa mageuzi ya awali ya ulimwengu: galaxy kubwa ya elliptical au galaxy isiyo ya kawaida kama Wingu Kubwa la Magellanic? Kwa nini?
2. Je, ni faida gani na hasara za kutumia quasars kuchunguza historia ya mwanzo ya ulimwengu?
3. Je, kasi ya ulimwengu itatokea ikiwa imeundwa kabisa na jambo (yaani, kama hapakuwa na nishati ya giza)?
4. Tuseme ulimwengu unazidi milele. Eleza nini kitakuwa cha mionzi kutoka kwenye fireball ya kwanza. Je, mageuzi ya baadaye ya galaxi yatakuwa kama nini? Je, maisha kama tunavyojua yanaishi milele katika ulimwengu kama huo? Kwa nini?
5. Baadhi ya wanadharia walitarajia kwamba uchunguzi utaonyesha kwamba wiani wa suala katika ulimwengu ni sawa na wiani muhimu. Je! Uchunguzi wa sasa unasaidia hypothesis hii?
6. Kuna njia mbalimbali za kukadiria umri wa vitu mbalimbali ulimwenguni. Eleza njia mbili kati ya hizi, na uonyeshe jinsi wanavyokubaliana na wao na umri wa ulimwengu wenyewe kama inavyokadiriwa na upanuzi wake.
7. Tangu wakati wa Copernicus, kila mapinduzi katika astronomia yamehamisha binadamu mbali zaidi kutoka katikati ya ulimwengu. Sasa inaonekana kwamba hatuwezi hata kufanywa kwa fomu ya kawaida ya suala. Fuatilia mabadiliko katika mawazo ya kisayansi kuhusu hali ya kati ya Dunia, Jua, na Galaxy yetu kwa kiwango cha cosmic. Eleza jinsi dhana kwamba wengi wa ulimwengu hufanywa kwa suala la giza inaendelea hii “mila ya Copernican.”
8. Kanuni ya anthropic inaonyesha kwamba kwa maana fulani tunaangalia aina maalum ya ulimwengu; ikiwa ulimwengu ulikuwa tofauti, hatukuweza kamwe kuwepo. Maoni juu ya jinsi hii inafaa na mila ya Copernican ilivyoelezwa katika zoezi la awali.
9. Ugunduzi wa Penzias na Wilson wa Background ya microwave ya Cosmic (CMB) ni mfano mzuri wa serendipity ya kisayansi —kitu ambacho kinapatikana kwa bahati lakini kinageuka kuwa na matokeo mazuri. Walikuwa wanatafuta nini na waligundua nini?
10. Kujenga ratiba ya ulimwengu na kuonyesha wakati matukio mbalimbali muhimu yalitokea, tangu mwanzo wa upanuzi hadi kuundwa kwa jua hadi kuonekana kwa wanadamu duniani.

Kujihesabu mwenyewe

1. Tuseme mara kwa mara ya Hubble haikuwa 22 lakini 33 km/s kwa miaka milioni ya mwanga. Basi wiani muhimu ungekuwa nini?
2. Fikiria kwamba galaxi ya wastani ina\(10^11\)\(M_{\text{Sun}}\) na kwamba umbali wa wastani kati ya galaxi ni miaka ya nuru milioni 10. Tumia wiani wa wastani wa suala (wingi kwa kiasi cha kitengo) katika galaxi. Ni sehemu gani hii ya wiani muhimu tuliyohesabu katika sura?
3. CMB ina takribani milioni 400 photoni kwa m ³. Nishati ya kila photon inategemea wavelength yake. Tumia masafa ya kawaida ya photon ya CMB. Kidokezo: CMB ni mionzi ya blackbody kwenye joto la 2.73 K. Kwa mujibu wa sheria ya Wien, urefu wa wimbi la kilele katika nanometers hutolewa na\(\lambda_{\text{max}} = \frac{3 \times 10^6}{T}\). Tumia masafa ya wavelength ambayo CMB ni kiwango cha juu na, ili kufanya vitengo thabiti, kubadilisha wavelength hii kutoka nanometers hadi mita.
4. Kufuatia juu ya Kuhesabu kwa Yourself Zoezi 5 kuhesabu nishati ya photon ya kawaida. Fikiria hesabu hii ya takriban kwamba kila photon ina wavelength iliyohesabiwa katika zoezi la awali. Nishati ya photon hutolewa na\(E= \frac{hc}{\lambda}\), wapi\(h\) mara kwa mara ya Planck na ni sawa na\(6.626 \times 10^{–34} \text{ J} \times \text{s}\),\(c\) ni kasi ya mwanga katika m/s, na\(\lambda\) ni wavelength katika m.
5. Kuendelea kufikiri katika Kuhesabu mwenyewe mazoezi 6 na 7, kuhesabu nishati katika mita za ujazo wa nafasi, kuzidisha nishati kwa photon iliyohesabiwa katika zoezi la awali na idadi ya photons kwa mita za ujazo iliyotolewa hapo juu.
6. Kuendeleza kufikiri katika mazoezi matatu ya mwisho, kubadilisha nishati hii kwa sawa katika wingi, tumia equation ya Einstein\(E= mc^2\). Kidokezo: Gawanya nishati kwa m ³ iliyohesabiwa katika zoezi la awali kwa kasi ya mraba wa mwanga. Angalia vitengo vyako; unapaswa kuwa na jibu katika kilo/m ³. Sasa kulinganisha jibu hili na wiani muhimu. Jibu lako linapaswa kuwa na nguvu kadhaa za 10 ndogo kuliko wiani muhimu. Kwa maneno mengine, umejikuta kuwa mchango wa photoni za CMB kwa wiani wa jumla wa ulimwengu ni kiasi, kidogo sana kuliko mchango uliofanywa na nyota na galaxi.
7. Bado kuna baadhi ya kutokuwa na uhakika katika mara kwa mara Hubble. (a) Makadirio ya sasa yanatofautiana kutoka karibu kilomita 19.9 kwa kila miaka ya mwanga milioni hadi 23 km/s kwa miaka milioni ya mwanga. Fikiria kwamba mara kwa mara ya Hubble imekuwa mara kwa mara tangu Big Bang. Je! Ni aina gani inayowezekana katika umri wa ulimwengu? Tumia equation katika maandishi,\(T_0 = \frac{1}{H}\), na hakikisha unatumia vitengo thabiti. (b) Miaka ishirini iliyopita, makadirio ya mara kwa mara ya Hubble yalikuwa kati ya 50 hadi 100 km/s kwa Wabunge. Je! Ni umri gani unaowezekana kwa ulimwengu kutoka kwa maadili hayo? Je, unaweza kutawala baadhi ya uwezekano huu kwa misingi ya ushahidi mwingine?
8. Inawezekana kupata umri wa ulimwengu kutokana na thamani ya mara kwa mara ya Hubble na umbali wa galaxy, tena kwa dhana kwamba thamani ya mara kwa mara ya Hubble haijabadilika tangu Big Bang. Fikiria galaxy iliyo umbali wa miaka ya nuru milioni 400 ikirudi kutoka kwetu kwa kasi,\(v\). Ikiwa mara kwa mara ya Hubble ni 20 km/s kwa miaka milioni ya mwanga, ni kasi gani? Ni muda gani uliopita galaxy hiyo ilikuwa karibu na Galaxy yetu kama imekuwa ikiendelea kupungua kwa kiwango chake cha sasa? Eleza jibu lako kwa miaka. Tangu ulimwengu ulianza wakati galaxi zote zilikuwa karibu sana pamoja, namba hii ni makadirio mabaya ya umri wa ulimwengu.