8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

1/27

Universul

• Universul reprezintă un spaţiu propus cafiind nemărginit, cu materie aflată în diferiteforme şi stadii de organizare şi evoluţie.

• În prezent cunoaşterea Universului serezumă la o pondere de sub 0,001 dintotalul informaţiilor iar multe dintre

cunoştinţe sunt doar simple ipoteze.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

2/27

• !nformaţiile pe care le avem asupra Universului, provinîn mod esenţial din observaţiile asupra luminii şi alecelorlalte unde electromagnetice ce vin din spaţiu.

• !nstrumentul de observaţie este telescopul, combinat cu

amplificatori de imagini şi cu spectrografe careanalizeaz" lumina în componentele sale şi determinăastfel compoziţia atomică, temperatura şi presiunea dela suprafaţa astrului observat.

• #elelalte unde electromagnetice sunt$ undele infraroşii,

microundele, undele radar şi undele radio.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

3/27

• %rimele sunt observate cu telescoape asociate cu

detectoare de infraroşu sau cu telescoape trimise înspatiu pentru a evita absorbţia razelor în atmosferă.• Undele radio sunt observate cu radio&telescoape.• %e de altă parte, este vorba de undele ultraviolete, de

razele ' si ( )gamma*, unde din ce în ce mai mici. !ncazul acestor unde, imensa cantitate de oservaţii seface prin detectori trimişi in spaţiu.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

4/27

• #unostinţele despre Univers provin şi din legile fizicestabilite pe %ăm+nt, presupus valide în totalitatea

Universului.• ceste legi fizice cuprind mecanica lui -eton & pentru sistemul solar, relativitatea generalizată a lui/instein & pentru corpurile masive şi pentru evoluţia

Universului, electromagnetismul lui aell, precum şi mecanica cuantică.• 2otalitatea cunoştiinţelor este sistematizată sub forma

de teorii sau, mai eact, de 3modele teoretice4 care

încearcă să eplice tot ce este cunoscut şi să prevadăviitoarele observaţii.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

5/27

• Isaac Newton )1567&1875*• %rincipiul ! al mecanicii• 9rice corp îşi menţine starea de repaus sau de mişcare

rectilinie uniformă at+t timp c+t asupra sa nu acţionează alteforţe sau suma forţelor care acţionează asupra sa este nulă.

• %rincipiul al !!&lea al mecanicii•  -eton introduce noţiunea de cantitate de mişcare, ceea ce

astăzi se numeşte impuls. ceasta este o mărime vectorialăegala cu produsul dintre masă şi viteză. %rincipiul al doilea almecanicii introduce noţiunea de forţă ca fiind derivataimpulsului în raport cu timpul. În mecanica netoniană seconsideră că masa este constantă )independentă de viteză* c+ttimp se păstrează integritatea corpului.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

6/27

• %rincipiul al !!!&lea al mecanicii• #+nd un corp acţionează asupra altui corp cu o forţă )numită

forţă de acţiune*, cel de&al doilea corp acţionează şi el asupra primului cu o forţă )numită forţă de reacţiune* de aceeaşimărime şi de aceeaşi direcţie, dar de sens contrar. cest

 principiu este cunoscut şi sub numele de %rincipiul acţiunii şireacţiunii.

• %rincipiul suprapunerii forţelor 

• :acă mai multe forţe acţionează în acelaşi timp asupra unuicorp, fiecare forţă produce propria sa acceleraţie în modindependent de prezenţa celorlalte forţe, acceleraţia rezultantăfiind suma vectorială a acceleraţiilor individuale.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

7/27

• Albert Einstein )1;8< = 1>*• /instein a enunţat teoria relativităţii care unifică teoriile

materiei şi ale luminii. ateria, ca şi lumina, se supun

 principiului relativităţii, iar simultaneitatea a două evenimentedevine dependentă de observator. 2impul nu mai este unconcept invariant, ci este relativ.

• 2eoria sa se baza pe următoarele postulate$• viteza absolută a unui obiect nu poate fi măsurată? putem

măsura doar viteza sa relativă faţă de un alt obiect?• valoarea vitezei luminii în vid este întotdeauna aceeaşi,

indiferent de viteza cu care se deplasează observatorul şiindiferent de sursa de lumină?

• viteza maimă care poate fi atinsă în Univers este vitezaluminii.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

8/27

• James Maxwell )1;@1&1;8

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

9/27

• În cadrul Universului distanţele se masoară în anilumină )a&l*, timpul în miliarde de ani )10

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

10/27

Evoluţia cunoaşterii Universului

• :acă navigatorii şi savanţii din anticGitate ştiau să se orienteze privind stelele şi să prezică eclipsele, astronomia, care se ocupăcu studiul mişcării Coarelui şi a planetelor, a rămas multe secoleîn urmă.

• %+nă la #opernic, în secolul 'H!, se credea că Coarele, planeteleşi stelele se înv+rtesc în Aurul %ăm+ntului.• Ialileo Ialilei )1>56&1567*, graţie observaţiilor pe care le&a facut

cu aAutorul telescopului = inventat de altfel de el, a pututconfirma teoria lui #opernic care susţinea că %"m+ntul, ca şi

 planetele, se înv+rtesc în Aurul Coarelui.• :upă cum se ştie, această teorie n&a fost bine acceptată deautorit"ţile religioase din acea epocă.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

11/27

• Jepler a fost primul savant care a putut descrie cu precizie deplasarea %ăm+ntului şi a planetelor în Aurul

Coarelui.•  -eton a fost cel care a eplicat originea acestortraiectorii & forţele gravitaţionale observate pe %ăm+nt& şi care a stabilit astfel legea gravitaţiei universale.

• Următorul mare pas a fost facut atunci c+nd, cuaAutorul spectografelor, s&a putut determina faptul călumina provenind din stele are proprietăţi similare cucea a Coarelui. cesta a devenit astfel o stea, printre

multe altele în imensitatea Universului.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

12/27

•  -oţiunea de galaie & un ansamblu imens de stele, ca de eemplu#alea Factee din care Coarele face parte & a apărut abia în secolul''.

• 2oate celelalte concepte importante azi în astronomie şiastrofizică datează tot din secolul ''$ eistenţa altor galaii,dilatarea Universului, eistenţa unor corpuri celeste ciudate)pulsari, stele de neutroni, Kgăuri negreL etc.*, eistenţa unui fondde radiaţie primitiv, precum şi teoria Mig Mang&ului.

•  pulsari$ corpuri cereşti care emit un semnal radio la fiecarerotaţie. Cunt o varietate de stele cu neutroni? resturi foarte dense

 provenite din stele masive care, la sfarşitul vieţii lor, eplodeazăform+nd supernove. %olii magnetici ai unui pulsar au proprietateade&a emite unde radio, raze ' si lumina concentrată în două raze,care BmaturăB cosmosul la fiecare rotaţie. :acă, traiectoriaacestor raze de lumină este îndreptată spre 2erra, putemintercepta un semnal la intervale regulate de timp, cuminterceptăm semnalul luminos al unui far.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

13/27

• Iăurile negre reprezintă sectoare din spaţiu care au at+t demultă masă concentrată în ele înc+t nici un obiect dinapropiere nu poate scăpa de atracţia lor gravitatională.

• Johannes epler )1>81&15@0*• !e"ile lui epler descriu mişcările planetelor în Aurul Coarelui

)sau stelei sistemului stelar respectiv* şi în generalcomportamentul oricărui sistem de două corpuri între careacţionează o forţă invers proporţională cu pătratul distanţei.

• #ele trei legi au fost enunţate la începutul secolului al 'H!!&lea.• %rimele două legi au fost publicate în 150< în "Astronomia

nova" , cea de a treia în 151< în lucrarea "Harmonices mundi" .• ceste teze au dus la ruperea definitivă cu credinţa ce durase

timp de secole, după care planetele s&ar fi mişcat în AurulCoarelui pe traiectorii circulare.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

14/27

•  Prima lege•  Planeta se mişcă în jurul stelei pe o orbită eliptică, în care steaua

reprezintă unul din focare.

•  A doua lege

•  Linia dreaptă care uneşte planeta cu steaua "raza vectoare a planetei"!mătură arii egale în perioade de timp egale.

• :in această lege, numită a ariilor egale, rezultă că o planetă se deplaseazăcu at+t mai repede cu c+t este mai aproape de stea, În cazul %ăm+ntului,raza vectoare mătură într&o secundă o arie de peste 7 miliarde Dm7.

•  A treia lege•  Pătratul perioadei de revoluie a planetei este proporional cu cubul

 semia#ei mari a orbitei.

• ceste legi descriu mişcările planetelor cu o aproimaţie suficientă înunele calcule, dar adesea sunt necesare modificări care să ţină seama dealte efecte. Unele abateri se datorează efectelor reciproce ale gravitaţieidintre planete, mişcării stelei datorită atragerii planetelor şi efectelorrelativistice. proimaţia este relativ bună c+nd masa planetei estenegliAabilă faţă de masa stelei.

• Fegile lui Jepler au constituit baza pentru formularea legilor gravitaţiei decătre !saac -eton şi au o deosebită importanţă pentru înţelegerea mişcăriicorpurilor cereşti, de eemplu a %ăm+ntului şi a celorlalte planete în AurulCoarelui, sau a Funii şi a sateliţilor artificiali în Aurul %ăm+ntului.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

15/27

• #tructura Universului• Universul este compus din spaţiu, din materie cosmică, din

stele )inclusiv planetele lor eventuale*, din radiaţii

electromagnetice şi probabil, din timp.• Cpaţiul este 3scena4 unde se desfăşoară acţiunea Universului,

locul în care materia şi razele apar, se deplasează sau dispar.Cpaţiul ar fi deci independent de materie sau de timp.

• !maginea modernă este diferit"$ spaţiul este considerat ca un produs al materiei şi evoluţia lui depinde de această materie.• ateria cosmică conţine în medie 0.> particuleNcm@ şi este

compusă din elemente simple, în general din nuclee atomice)în special protoni*. În anumite zone din spaţiu şi sub anumite

condiţii, această densitate poate atinge un milion )105* de particuleNcm@ pentru a forma nebuloasele din care se nascstelele.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

16/27

• Cpaţiul conţine cel puţin 80 de septilioane )80 000000 000 000 000 000 000 sau 81077* de stele. Cteauacea mai apropiată de %ăm+nt se găseşte la o distanţă

de 6 a&l? cea mai departată, la cca. 1010 a&l. Cteaua ceamai mare este de circa 1>0 ori mai masivă dec+tCoarele )adică 1>0 C*? cea mai puţin masivă arecirca 0.1 C. #ea mai mare poate avea un diametrude 100 de ori mai mare dec+t cel al Coarelui? cea maimică, un diametru de numai c+ţiva Dm )stelele deneutroni*.

• Oadiaţiile )sau undele* electromagnetice străbatspaţiul alături de undele reziduale produse puţin după

naşterea Universului, care umplu Universul în moduniform.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

17/27

• $ormarea Universului• Universul s&a născut acum cca. 16 miliarde de ani )1,61010 

ani*. ceastă v+rstă a fost calculată în urma analizei spectrelor

luminoase ale celor mai îndepărtate stele, presupun+nd călegile naturii sunt universale.• #ea mai importantă lege astronomică determinată de

astronomul Pubble precizează faptul că spectrul luminos alunei stele este 3deplasat4 către roşu proportional cu distanţa

care ne separ" de ea.•  ceastă lege poate fi eprimată sub o formă ecGivalentă,respectiv 3viteza între două puncte în mişcare este

 proporţională cu distanţa care le separă4. #eea ce înseamnă căUniversul = sau cel puţin materia conţinută în acel Univers =se dilată.

• !nvers, la un moment dat, totul se g"sea deci în acelaşi loc,într&un punct. Întorc+ndu&ne în timp, g"sim 3v+rsta4 de 16miliarde de ani .

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

18/27

• Qizicienii au făcut această incursiune inversă în timp,spre originile cosmosului.

• În acele prime momente ale Universului avem în modvizibil, epuse foarte clar legăturile dintremicrocosmos şi macrocosmos. Ce poate merge întimp înapoi p+nă la timpul 10&6@ s. ceastă barieră

temporală a mai fost numită Kzidul lui %lancDL.:incolo de acest moment imaginaţia nu ne mai aAută.

• %rin eplozia iniţială )Mig&bang* nu trebuie săînţelegem o eplozie a unei materii într&un spaţiu vid.Mig&bang&ul înseamnă de fapt o eplozie a materiei,spaţiului şi timpului.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

19/27

• Fumea apare odată cu timpul, nu în timp. :incolo dezidul lui %lancD nici o lege a fizicii nu este valabilă,

 pentru că este KnimiculL. -u putem aplica legilefizicii la KnimicL. -u mai avem spaţiu, timp pentru aaplica teoria relativizată a lui /instein. stfel, înacest caz, ştiinţa aAunge să&şi declare propriile limite.

• Fa inceputul formării Universului, totul & adică

materia, radiaţiile şi cGiar şi spaţiul & se găsea probabil concentrat intr&un punct.• ai precis, la v+rsta de >.610&6@ s, întregul univers

nu ocupa dec+t o minusculă sferă av+nd o rază de1,510&@> m care se găsea la o temperatur" şi la o

 presiune astronomică, inimaginabilă.• !n acel moment = considerat originea timpului )t E 0

s* începe epansiunea Universului )Mig&bang*.

Î l i l i f i l l f i l

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

20/27

• Începutul Universului a oferit spectacolul fascinant alconversiunilor reciproce materie = energie.

• %articulele elementare )electroni, pozitroni, neutrini, fotoni*erau create permanent de o energie pură, apoi după o viaţă

scurtă, erau aniGilate.• vem de&a face în acele prime clipe de eistenţă a Universului

cu o supă cosmică aflată la o temperatură uriaşă )6 × 1010 °#*.• %e măsură ce eplozia a continuat, temperatura a scăzut,

ating+nd @×

 1010

 °

#, după≈

 o zecime de secundă? zece mii demilioane °# după o secundă şi trei mii de milioane de gradedupă aproape 16 s. Fa această temperatură Universul se făcusesuficient de rece astfel înc+t electronii şi pozitronii să înceapăsă se aniGileze mai repede dec+t puteau fi creaţi din nou de

către fotoni şi neutrini.• /nergia emisă de această aniGilare a materiei a încetinit ritmulrăcirii Universului, dar temperatura a continuat să scadă,ating+nd în cele din urmă, la sf+rşitul primelor trei minute,valoarea de 1000 de milioane de grade.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

21/27

• 2emperatura a devenit atunci suficient de scăzută pentru ca protonii şi neutronii să înceapă formarea denuclee mai complee, încep+nd cu nucleeleGidrogenului greu )numit şi deuteriu*, care suntcompuse dintr&un neutron şi un proton.

• Fa sf+rşitul primelor trei minute, Universul eraalcătuit mai ales din lumină, neutrini şi antineutrini.ai eista şi o mică proporţie de material nuclear,format din aproimativ 8@ Gidrogen şi 78 Geliu şiun număr mic de electroni. ceşti electroni sunt dincei rămaşi din vremea aniGilării electronilor cu

 pozitronii.• mestecul de materie a devenit tot mai rece şi cu o

densitate din ce în ce mai mică.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

22/27

• :upă @00000 ani, temperatura Universului ascăzut suficient pentru ca protonii, neutronii si

electronii să poată să se combine între ei,radiaţile se decuplează atunci de materie şi potstrăbate spaţiul fară a fi perturbate. cesteradiaţii primitive, numite radiaţii de fond

cosmic, au fost observate şi corespund în toate privinţele cu previziunile teoriei Mig&bang&ului.

• În această perioadă începe procesul de formarea galaiilor iar lucrurile s&au desfasurat3normal4 pană în prezent.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

23/27

• În ceea ce priveşte viitorul Universului, totul este încă posibil în starea cunoştiinţelor actuale$ o continuare a

epansiunii, o accelerare, o fr+nare sau cGiar ocontractare pentru a reveni la punctul de plecare. Însă,dacă Universul va începe să se contracte, galaiile sevor apropia p+nă c+nd vor intra în coliziune şi vor

fuziona. 2otul va fi distrus. cesta va fi Mig&cruncG.• Hiitorul depinde de cantitatea de materie pe care o

conţine Universul pe metru cub. %otrivit informaţiiloractuale ea este prea mică pentru ca Universul sa

înceapă să se contracte.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

24/27

• ulţi cercetători consideră că cea maimare descoperire a secolului al&''&leaeste aceea că giganticul nostru Univers

se mişcă.• %aradigma Universului static şi

etern, la care au subscris nenumăraţifilosofi şi oameni de ştiinţă de&a lungulmai multor secole, a fost scGimbată profund de fizica secolului ''. :ate şi

măsuratori eperimentale au confirmatde&a lungul ultimelor ; decenii căUniversul este în epansiune. /l creştecu fiecare zi, devenind tot mai mare.#u fiecare miliard de ani care trece,Universul este mai mare cu >&10./pansiunea acestui imens număr degalaii, însum+nd miliarde de miliardede stele cu mase enorme, se petrecefără întrerupere.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

25/27

• /plozia care a dat naştereUniversului continuă şi azi. C&ar putea spune că ea nu s&a încGeiat,întruc+t RfragmenteleK de pe urmaei, ce constituie miliardele de

galaii, se depărtează încă unele dealtele. /pansiunea Universului a permis rarefierea materiei, făc+nd posibilă construcţia galaiilor princeea ce este numit procesul deacreţie, str+ngerea gazului în nori,rotirea lor continuă, aglomerarea

 particulelor de gaz în nori mai mici,care dau naştere stelelor şi celorlaltecorpuri cereşti.

• :in acest motiv, epansiunea esteesenţială pentru felul în care aratăUniversul astăzi. Qără aceastăcaracteristică, nici #alea Factee, niciCoarele şi nici %ăm+ntul nu ar fieistat.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

26/27

• Iravitaţia eistentă în Univers constituie o forţă atractivă,ce tinde să str+ngă laolaltă, să adune materia, nicidecum săo disperseze. #osmologia eplică formarea galaiilor sau a

sistemelor asemănătoare sistemului Colar, prinaglomerarea gravitaţională.

• 2oată arGitectura Universului, cu diversele forme degalaii, stele, găuri negre, planete şi traiectoriile loreliptice sunt determinate în bună parte de gravitaţie.

• Qiind at+t de aglomerat cu stele şi galaii, ce însumeazămase gigantice, Universul aflat în epansiune tinde, înacelaşi timp, să fie comprimat de gravitaţie. ceasta seopune epansiunii lui )determinată de impulsul eplozieinumite Mig&bang*. Oaportul dintre cele două forţe

)impulsul iniţial, care îl măreşte, şi gravitaţia, care tinde săîl comprime, aglomer+nd materia* este esenţial în evoluţiaUniversului.

8/18/2019 Curs 3 GG.ppt

27/27

• Unele calcule arată că, dacă densitatea de masă a Universului ar fidepăşit cu puţin valoarea actuală, atunci gravitaţia ar fi fost mai puternică dec+t impulsul Mig&bang&ului. În acest caz, Universul nu s&ar mai fi etins at+t de mult.

• %e de altă parte, dacă densitatea Universului ar fi fost mai mică,epansiunea lui ar fi fost prea rapidă, diminu+nd şansele gravitaţiei dea str+nge materia în nori protogalactici care să permită formareagalaiilor, stelelor şi a celorlalte corpuri cereşti.