Выводы из частной и общей теории относительности А.Энштейна
Частная (специальная) теория относительности
Эйнштейн сформулировал два важнейший постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности:
все законы физики одинаково применяемы в любой инерциальной системе отчета и не должны при преобразованиях Лоренца;
свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения источника.
Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности.
Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального соотношения между массой, энергией и импульсом, которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии.
Общая теория относительности
Общая теория относительности привела к предсказанию эффектов (конечной скорости изменения поля тяготения, равной скорости света в вакууме – это изменение переносится в виде гравитационных волн; возможности возникновения черных дыр и др.), которые вскоре получили экспериментальное подтверждение. Она позволила также сформулировать принципиально новые модели, относящиеся ко всей Вселенной, в том числе и модели нестационарной (расширяющейся) Вселенной.
Из уравнений релятивистской механики, вытекает закон сохранения энергии. Это – знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. В действительности же оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии.
В частности, наличие у покоящейся частицы массы говорит и о наличии у нее энергии (энергии покоя). В атомных ядрах энергия притяжения частиц приводит к тому, что общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы). Установление этого факта явилось одним из важнейших шагов к возникновению ядерной энергетики, так как позволило оценить ту значительную энергию, которая должна высвобождаться при делении тяжелых и слиянии легких ядер.
Постулаты Н. Бора (Нобелевская премия по физике 1922 г.). (вопрос № 15)
Нильс Бор за заслуги в изучении строения атома стал лауреатом Нобелевской премии 1922 г.
Бор создал теорию атома, в основу которой легли планетарная модель атома, квантовые представления и предложенные им постулаты. Она показала, что атомы живут по законам, совершенно не похожим на те, которые управляют макроскопическим миром.
Первая попытка построить качественно новую - квантовую - теорию атома была предпринята в 1913 г. Бор поставил перед собой цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ящерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил два постулата.
Первый постулат Бора(постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией равной разности энергий соответствующих стационарных состоянии(Еn и Еm - соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения)).
При Ет<Еп происходит излучение фотона (переход атома из состояния с боль шей энергией в состояние с меньшей энергией, т. с. переход электрона с более удален ной от ядра орбиты на более близлежащую), при Ет>Еn- его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот v = (Еn – Еm)/h квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома.
Достоинства теории Бора
§ Объяснила дискретность энергетических состояний водородоподобных атомов.
§ Теория Бора подошла к объяснению внутриатомных процессов с принципиально новых позиций, стала первой полуквантовой теорией атома.
§ Эвристическое значение теории Бора состоит в смелом предположении о существовании стационарных состояний и скачкообразных переходов между ними. Эти положения позднее были распространены и на другие микросистемы.
Недостатки теории Бора
§ Не смогла объяснить интенсивность спектральных линий.
§ Справедлива только для водородоподобных атомов и не работает для атомов, следующих за ним в таблице Менделеева.
§ Теория Бора логически противоречива: не является ни классической, ни квантовой. В системе двух уравнений, лежащих в её основе, одно — уравнение движения электрона — классическое, другое — уравнение квантования орбит — квантовое.
§ Теория Бора являлась недостаточно последовательной и общей. Поэтому она в дальнейшем была заменена современной квантовой механикой, основанной на более общих и непротиворечивых исходных положениях. Сейчас известно, что постулаты Бора являются следствиями более общих квантовых законов. Но правила квантования типа широко используются и в наши дни как приближенные соотношения: их точность часто бывает очень высокой.
Современная астрофизическая картина мира (вопрос № 16)
Мы люди подобно путнику на дороге начало и конец которых теряются в неведомо. Кто мы? Откуда? Куда мы идем?
Задолго до нас, может быть интуитивно, люди ощущали свое родство с вечным горящим огнем Вселенной из этого ощущения рождались первые космологии, первые попытки охватить взглядом дорогу и найти свое место на ней, место во вселенной.
14 веков не подвергалось сомнению геоцентрическая модель Птолемея, человек живет в центре существующего мира, Солнце и Луна движутся по большим окружностям – деферентам, а планеты кроме того еще и по малым – эпициклам. Эпициклы, они невероятно усложняли геоцентрическую систему.
И вот наступил 16 век, Коперник заявил, что он видит лучше, чем у Птолемея способ объяснить наблюдаемое движение планет. Так возникла новая гелиоцентрическая модель Вселенной. В этой модели человеку отводилось более скромное место на одной из планет обращающихся вокруг центрального святила. Правда в единственном и поэтому лучшем из миров, в прочем единственном ли.
Жил в Англии в 18 веке учитель музыки Вильям Герше, все свободное время он посвящал астрономии. Далекие святящиеся пятна в звездном небе туманности вот что интересовало Гершеля, какова их природа. Гершелю удалось разглядеть в некоторых туманностях отдельные звезды и он предположил что многие из туманности далекие от солнечной системы – звездные скопления. Островными вселенными назвал Гершель. И наше солнце считал астроном и все видимые звезды части такой островной системы, гигантского скопления млечный путь одного из многих миров. Это было смелое предположение. Гипотезе Герешаля о множестве звездных путей пришлость ждать подтверждение вплоть до 20 века.
20 век, он в очередной раз, изменил представление о месте человека во Вселенной и совершили это люди, которые всему на свете предпочитали тишину кабинетов и обсерваторий – Хабл, Энштейн, Фридман.
В прочем начиналось все достаточно скромно. 60 лет назад в Калифорнии работал молодой астроном, наблюдатель Эдвин Хабл. Он фотографировал слабые туманности созвездия Андромеды в треугольнике, и вот оказалось что на полученных Хаблом фотографиях, туманности отчетливо распадались на звезды. Хаблу удалось определить расстоянию до них, эти расстоянии оказались огромными, миллионы световых лет, а это значит что Гершель был прав, звездные туманности находятся далеко за пределами млечного пути. Наша галактика не единственная звездная система во Вселенной.
Эвин Хабл с головой ушел в мир галактик. Он открывал их одну за другой, а иногда и целыми скоплениями. Он выделил среди них три класса:
· Эллиптические шалактики
· Спиральные галактики
· Неправильной формы
Благодаря трудам Хабла стало ясно, что галактики это основной структурный элемент Вселенной. Пришлось в очередной раз переделывать картину мира. Где же на этой картине место человека?
Среди многих миллионов звездных систем, сверхскоплений девы, в местной группе галактик, нужно отыскать небольшой фрагмент протяженностью всего сто тысяч световых лет. Это наша галактика, наш звездный город, его население сотни миллиардов звезд. Самые старые из них заполняют Гело – сперическую периферию галактики, а молодые горячие звезды, населяют самую яркую область галактики ее диск.
Звезды гиганты и звезды карлики, звезды светоиды периодически меняющие свой блеск. Облака межзвездного газа и пыли. Рассеянные и шаровые звездные скопления. Ну а где наше Солнце, вот оно, не в центре, а между спиральными рукавами Галактики.
Да, скромное место отведено человеку во вселенной. На окрайне из многих звездных городов. В прочем что такое край, что такое центр, если говорить о космологии. Эдвин Хабл еще учился в университете когда Энштейн решил эти понятие всякого смысла. Речь шла о самых привычных вещах, о пространстве и времени. Пространство и время утверждало классическая космология, нечто вроде сцены, на которой совершают действия герои всемирной драмы – планеты, звезды, галактики. Пространство и время существуют независимо от материальных тел - это вечные и неизменные категории. Совсем другие ощущения в мире Эйнштейна, пространство и время здесь неразрывно связано с материей, присутствие материи искревляет пространство и сцена прогибается под тяжестью действующих лиц, под тяжестью вселенной, пространство замыкается.
Нам трудно представить себе как выглядит трехмерное замкнутое пространство. Вот если мы б стали плоскатиками, существами обитающими в двух измерениях, этим пространством для нас была поверхность сферы, не имеющая краев, безгранична, но конечная. Путешественник обязательно вернется в точку откуда начал свое путешествие. И вот, что интересно, все точки Эйншенновской вселенной равноправны. Можно сказать где бы не находился человек в такой вселенной он всегда находится в центре мира. В центре мира. Бывает что мир этот уменьшается в узком пролете окна и все пространство его кусочек крымского берега. Здесь летом 1925 года умирал Александр Фридман, математик из Ленинграда. В своей которткой жизни он успел сделать главное, решая уравнения общей теории относительности Фридман пришел к удивительному выводу, вселенная Эйнштейна не может быть статичной, она должна меняться со временем, расширяться или сжиматься. Александр Фридман умирал не зная что в далекой Калифорнии Эдвин Хабл близок в подтверждении его правоты.
Красное смещение – это явление аналогично эффекту с которым мы с сталкиваемся слушая гудок паровоза. Когда поезд удаляется от нас, высота звука понижается, а когда от нас удаляется звезда или звездная система, понижается частота приходящей от них световой волны, линии их спектров смещаются в красную сторону. Так вот Хабл заметил что красное смещение характерно для спектров почти всех галактик. При чем чем дальше галактика, тем больше величина смещения, тем выше скорость удаления. Отсюда следовало, галактики разбегаются друг от друга вселенная расширяется. Вселенная расширяется. Это значит что тысячу, миллионы, миллиард лет назад, галактики были гораздо ближе друг к другу, а еще раньше их вообще не было, а что же было?
В 1965 году американские астрономы обнаружили странный радио шум, он был очень слаб, но приходил со всех сторон. Космос казался пронизанный им. Ученные вычислили что это узлучение возникло около 15 млрд. лет назад при температуре 3000 кельвинов, такой горячей была в то время вселенная. Расчеты показывают что раньше она была еще горячее, а еще раньше, раньше всего была сингулярность, особое сверхплотное состояние материи, настолько сверх что для его описания нужна совершенно иная несуществующая сегодня физика. Поэтому о сингулярности мы знаем одно, в этом загадочном состоянии таились наше прошлое, настоящее и будущее.
Грянул большой взрыв, началось время. Первые мили секунды, мир был так горяч, что не атомы не атомные ядра существовать не могли. Зато в огромных количествах рождались элементарные частицы и зеркальные подобия античастицы, рождались и практически сразу аннигилировали превращались в кванты излучения – фотоны, и снова возникали из них, вещество и излучение находились в равновесии. По мере расширения вселенной и падение температуры это равновесие разрушалось, частицы аннигилировали, а из лучения больше не возникали. Но в каждом родившихся частиц и античастиц, было на одну частицу больше, эти избыточные частицы выжившие после аннигиляции составляют все вещество наблюдаемое во вселенной. Через несколько секунд после начало расширения эпоха аннигиляция закончилась и ранняя вселенная уподобилась водородной бомбе, начался термоядерный синтез вещества. Нейтроны захватывались протонами, и большой взрыв рождал гелий, тем временем вселенная стремительно расширялась, плотность и температура падали и ядра тяжелее гелия синтезироваться практически не могли. Потом ядерный фейверк прекратился, в космическом тумане заполнявшем вселенную электроны соединились с протонами в атомы водорода и излучение которое прежде рассеивалось на них, вырвалось, отделилось от вещества, как будто и в правду сказал да будет свет.
С этого момента фотоны излучения, начали двигаться независимо от вещества, вместе с расширяющейся вселенной, постепенно теряя свою энергию, отстывая. Это и есть тот радио шум, который регистрируют астрономы – реликтовое излучение, слабый отблеск огня, каким была ранее вселенная.
Мы живем в эру вещества, и все что было и есть на Земле, сложено из одних и тех же кирпичиков – кислорода и кремния, железа и фосфора, азота, углерода, кальция. Откуда же взялись эти элементы, если мы знаем что синтез вещества в ранее вселенной остановился на гелии.
Далеко от нас в созвездии тельца, слабо светится крабовидная туманность. В китайской летописи записано, что в 1954 году на этом месте была замечена яркая вспышка. Ученые считают, что там взорвалась сверх новая, катастрофически закончилась звездная жизнь. Родословная этой как и других звезд уходит в те времена когда вещество составляющее вселенную сжималось в газовое протогалактики и распадалась на более мелкие с сгустки протозвезды. По мере сжатия, температура протозвезды расширялась и в ее ядре начиналась термоядерная реакция, только теперь они не останавливались на гелии, в ядерном пламени массивны звезд возникали более тяжелые элементы – углерод, водород, кремний и так до тех пор пока звездное ядро не становилось практически железным. А рядом проживали свою жизнь другие звезды, все они в ходе эволюции теряли оболочки, а ядра их сжимались, при чем у некоторых до такой степени, что во внешнем пространстве от них не оставалась ничего кроме гравитационного поля, такие черные дыры не выпускают из себя даже свет.
Но счала массивные звезды превращались в сверх новые. Железное ядро под действием громадной гравитационной силой как бы взрывалось во внутрь сдавливая вещество до невероятной плотности, а взрывная волна ударяла по оболочкам звезды и в этом стремительно летящем раскаленном веществе рождались элементы тяжелее железа. Взрывная волна несла их в межзвездное пространство.
В прошлом взрывы сверхновой случались довольно часто. Вещество сброшенное звездой при таком взрыве вторгалось в близ лежащее газовое облако. Облако сжималось, начиналось рождение новой звезды. Но это была уже звезда второго поколения, в ней изначально присутствовали тяжелые элементы. Звезда жила, а через миллиарды лет ее постигала участь предейственной. И тяжелые элементы рассеивались в пространстве. Из этого космического пепла, образовывались звезды последующего поколения, в том числе Солнце и его спутники. Так родилась Земля, колыбель нашей жизни, вот и все, все что мы знаем сегодня, мы дети звезд. 10 миллиардов лет назад каждый атом наших тел находился какой ни будь звезды. Мы органическая часть расширяющейся вселенной. Мы родились с ней в огне большого взрыва и вместе с ней нас несет огромный вихорь мироздания.
Выводы:
§ основа астрономического познания - признание объективного существования предмета астрономической науки;
§ эмпирическая основа современной астрономии – наблюдение во всеволновом диапазоне;
§ теоретическая основа современной астрономии – классическая механика, квантовая и релятивистская физика;
§ современная космогония обосновывает идею не стационарности Вселенной: мир космических объектов находится в состоянии постоянного качественного изменения и развития.
Современные представления о структуре Вселенной. (вопрос № 17)
Взгляд на возникновение, эволюцию и структуру Вселенной является вторым столпом, на котором основывается современная картина мира.
Современные теоретические представления о Вселенной основываются на релятивистской теории тяготения – Общей теории относительности А.Эйнштейна (1916 г.), описывающей гравитационное взаимодействие релятивистской материи (её скорость движения ограничена скоростью света). Эта материя является предметом изучения физики. На основе этой теории А.А.Фридман в 1922-1924 гг. создал модель однородной расширяющейся Вселенной. Если плотность вещества превышает критическое значение, то в какой-то момент расширение сменяется сжатием (осциллирующая Вселенная). В противном случае Вселенная должна непрерывно расширяться. Согласно наблюдательным данным, наша Вселенная эволюционирует по последнему сценарию. Модель Фридмана первоначально была отвергнута Эйнштейном, который полагал Вселенную стационарной. Однако после работ Э.Хаббла (1927-1929 гг.), установившего факт разбегания близлежащих галактик со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними, расширение Вселенной оказалось доказанным, и модель Фридмана получила признание. Вместе с гипотезой «Большого Взрыва» Г.А.Гамова (1948 г.), лежащей в основе стандартной модели Ранней Вселенной, модель Фридмана является основой современных представлений о Вселенной.
В однородной и изотропной Вселенной расширение происходит в соответствии с законом Хаббла. Но Хаббл установил свой закон, определяя относительные скорости и расстояния между близлежащими галактиками, распределёнными крайне неоднородно. Получается, что гравитационное взаимодействие галактик, которое должно определять их относительное движение, на глобальном разбегании галактик не сказывается. Тогда чем же оно определяется? Это противоречие получило название «загадка Хаббла».
Модель Фридмана, не может описать рождение и нагрев вещества и электромагнитного излучения. Эту задачу исследует утвердившаяся сегодня в космологии стандартная модель Ранней Вселенной. Вещество Вселенной при рождении и расширении является однородным и изотропным по плотности, температуре и давлению. Его разлёт обусловлен полученным неизвестным образом начальным толчком. Таким образом, модель оставляет вне рассмотрения само рождение и нагрев материи Вселенной, причину её расширения. Она исследует изменение состава вещества и излучения, происходящее в остывающей «горячей» Вселенной. Для этого используются представления теории элементарных частиц. Согласно ей рождение пары частица-античастица есть результат распада фотона с высокой энергией, а при столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция. В начале расширения Вселенной почти вся энергия сосредоточена в высокотемпературном излучении, но по мере его остывания энергия фотонов падает и оказывается недостаточной, чтобы рождать пары частиц и античастиц и разбивать образующиеся ядра легких элементов. При возрасте Вселенной 30-300 секунд образуются основные компоненты дозвёздного вещества: водород (его массовая доля 65-75%) и гелий-4 (25-35%), из которых в дальнейшем образуются первые звезды. Эти теоретические оценки соответствуют наблюдаемой пропорции указанных элементов, что является аргументом в пользу стандартной модели Ранней Вселенной.
Когда температура вещества Вселенной достигает примерно 3000 градусов Кельвина (3000К), происходит очень важное событие: свободные электроны и протоны, соединяясь, образуют нейтральные атомы водорода, с которыми электромагнитное излучение взаимодействует очень слабо. Это означает, что Вселенная становится прозрачной, а излучение и вещество начинают остывать независимо друг от друга и в разном темпе, т.е. термодинамическое равновесие фотонов и частиц нарушается. Теперь расширение Вселенной определяется веществом, а не излучением. Последующее энерговыделение в веществе, происходящее в некоторых процессах, не влияет на температуру излучения, которое тем самым несет информацию о состоянии Вселенной в момент обособления излучения от вещества. Это излучение, названное реликтовым, образовалось, когда возраст Вселенной составлял примерно полмиллиона лет.
В 1965 г. реликтовое излучение случайно было обнаружено А. Пензиасом и Р. Вилсоном. Его температура по современным данным не сильно отличается от полученного ими значения и составляет 2,7К. Важно, что обнаруженное излучение оказалось в высокой степени изотропным! Оно было интерпретировано как реликтовое излучение. А это означает, что в момент отделения излучения от вещества Вселенная была практически однородной. Это открытие стало существенным аргументом в поддержку гипотезы однородной и изотропной Ранней Вселенной.
При дальнейшем остывании во Вселенной стали образовываться звёзды, галактики, их скопления, газовые облака и другие структуры. Вселенная стала неоднородной.
Одной из главных проблем модели однородной Вселенной является механизм образования её структур, нарушающих исходную однородность. Считается, что структуры возникают в результате развития гравитационной неустойчивости: если где-то возникает уплотнение вещества, то оно начинает сильнее притягивать к себе окружающее вещество, образуя массивный объект. Но что порождает уплотнения и разрежения в однородной Вселенной? И почему их величина и место образования оказываются такими, что возникает видимая структура Вселенной? Это проблема получила название «проблема начального состояния».
Следующим важным событием в космологии стало открытие в галактиках и галактических системах невидимого вещества – «темной материи». Наблюдаемое вращение галактик нельзя было объяснить массой их видимого нуклонного вещества. Было предположено, что тёмная и видимая материя взаимодействуют между собой посредством гравитационного поля, и что они принципиально различаются по своей природе. Во всяком случае, частицы темной материи электрически не заряжены и потому не могут излучать фотоны.
Наконец, в 1998-1999 гг сделано ещё одно выдающееся открытие в космологии, изменившее принятое представление об эволюции Вселенной. Было обнаружено, что примерно пять миллиардов лет назад расширение Вселенной стало ускоряться. Это означало, что помимо тормозящей расширение гравитационной силы должна существовать неизвестная антигравитационная сила. Чтобы не отказываться от имеющейся модели, было предположено существование гипотетической субстанции, названной «тёмной энергией». Для объяснения наблюдаемого ускорения разлёта её энергия должна более чем вдвое превышать энергию тёмной материи. Получается, что мы живём во Вселенной, о подавляющем количестве материи которой мы ничего толком не знаем. Гипотеза «тёмной энергии» породила свои сложные вопросы, остающиеся без ответа.
Список проблем современной модели Вселенной можно было бы продолжить. Есть проблемы, связанные с образованием её структур. В частности, не ясно, как возникает основной элемент Вселенной - галактики.
Очевидно, что принятая модель Вселенной несовершенна. И это космологи понимают. Выдающийся физик С.Вайнберг писал в «Всегда следует допускать, что наши простые модели могут описывать лишь малую часть Вселенной или ограниченный отрезок её истории». Но он считает, что «правильное отношение к подобным неопределённостям не в том, чтобы отдать на слом стандартную модель (как хотят некоторые космологи), а скорее в том, чтобы воспринимать её очень серьёзно и тщательно разрабатывать её следствия, даже лишь в надежде выявить противоречия с наблюдениями». Этим и занимается последние десятилетия космология, выявляя одну проблему за другой. Поэтому возникает естественный вопрос, сколько нужно накопить проблем и противоречий, чтобы был сделан вывод о неспособности современной модели адекватно и полно отобразить рождение, эволюцию и структуру Вселенной и о необходимости «пустить модель на слом». Последнее можно было бы сделать и сегодня, если бы существовала непротиворечивая альтернативная модель.
Солнечная система и ее структура. (вопрос № 18)
Солнечная система – планетная система, включающая в себя центральную звезду – Солнце – и все известные космические объекты, обращающиеся вокруг Солнца.
Большая часть массы объектов, связанных с Солнцем гравитацией, содержится в восьми относительно уединённых планетах, имеющих почти круговые орбиты и располагающихся в пределах почти плоского диска — плоскости эклиптики. Четыре меньшие внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс, также называемые планетами земной группы, состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, в значительной степени состоят из водорода и гелия и намного массивнее, чем планеты земной группы.
В Солнечной системе имеются две области, заполненные малыми телами. Пояс астероидов, находящийся между Марсом и Юпитером, сходен по составу с планетами земной группы, поскольку состоит из силикатов и металлов. Крупнейшими объектами пояса астероидов являются Церера, Паллада и Веста. За орбитой Нептуна располагаются транснептуновые объекты, состоящие из замёрзшей воды, аммиака и метана, крупнейшими из которых являются Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке и Эрида. Дополнительно к тысячам малых тел в этих двух областях другие разнообразные популяции малых тел, таких как астероиды, планетные квазиспутники и троянцы, околоземные астероиды, кентавры, дамоклоиды, а также перемещающиеся по Солнечной системе кометы, метеороиды и космическая пыль.
Шесть планет из восьми и три карликовые планеты окружены естественными спутниками. Каждая из внешних планет окружена кольцами пыли и других частиц.
Солнечный ветер (поток плазмы от Солнца) создаёт пузырь в межзвёздной среде, называемый гелиосферой, который простирается до края рассеянного диска. Гипотетическое облако Оорта, служащее источником долгопериодических комет, может простираться на расстояние примерно в тысячу раз больше по сравнению с гелиосферой.
Солнечная система входит в состав галактики Млечный Путь.
Центральным объектом Солнечной системы является Солнце — звезда главной последовательности спектрального класса G2V, жёлтый карлик. В Солнце сосредоточена подавляющая часть всей массы системы (около 99,866 %), оно удерживает своим тяготением планеты и прочие тела, принадлежащие к Солнечной системе. Четыре крупнейших объекта — газовые гиганты, составляют 99 % оставшейся массы (при том, что большая часть приходится на Юпитер и Сатурн — около 90 %).
Большинство крупных объектов, обращающихся вокруг Солнца, движутся практически в одной плоскости, называемой плоскостью эклиптики. Однако в то же время кометы и объекты пояса Койпера часто обладают большими углами наклона к этой плоскости.
Все планеты и большинство других объектов обращаются вокруг Солнца в одном направлении с вращением Солнца (против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса Солнца). Есть исключения, такие как комета Галлея. Самой большой угловой скоростью обладает Меркурий — он успевает совершить полный оборот вокруг Солнца всего за 88 земных суток. А для самой удалённой планеты — Нептуна — период обращения составляет 165 земных лет.
Большая часть планет вращается вокруг своей оси в ту же сторону, что и обращается вокруг Солнца. Исключения составляют Венераи Уран, причём Уран вращается практически «лёжа на боку» (наклон оси около 90°). Для наглядной демонстрации вращения используется специальный прибор — теллурий.
Многие модели Солнечной системы условно показывают орбиты планет через равные промежутки, однако в действительности, за малым исключением, чем дальше планета или пояс от Солнца, тем больше расстояние между её орбитой и орбитой предыдущего объекта. Например, Венера приблизительно на 0,33 а. е. дальше от Солнца, чем Меркурий, в то время как Сатурн на 4,3 а. е. дальше Юпитера, а Нептун на 10,5 а. е. дальше Урана. Были попытки вывести корреляции между орбитальными расстояниями (например, правило Тициуса — Боде), но ни одна из теорий не стала общепринятой.
Орбиты объектов вокруг Солнца описываются законами Кеплера. Согласно им, каждый объект обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. У более близких к Солнцу объектов (с меньшей большой полуосью) больше угловая скорость вращения, поэтому короче период обращения (год). На эллиптической орбите расстояние объекта от Солнца изменяется в течение его года. Ближайшая к Солнцу точка орбиты объекта называется перигелий, наиболее удалённая — афелий. Каждый объект движется наиболее быстро в своём перигелии и наиболее медленно в афелии. Орбиты планет близки к кругу, но многие кометы, астероиды и объекты пояса Койпера имеют сильно вытянутые эллиптические орбиты.
Большинство планет Солнечной системы обладают собственными подчинёнными системами. Многие окружены спутниками, некоторые из которых больше Меркурия. Большинство крупных спутников находятся в синхронном вращении, с одной стороной, постоянно обращённой к планете. Четыре крупнейшие планеты — газовые гиганты, также обладают кольцами, тонкими полосами крошечных частиц, обращающимися по очень близким орбитам практически в унисон.
Современные космологические модели возникновения Вселенной (вопрос № 19)
В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас.
Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:
· Вселенная — это все существующая, «мир в целом». Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.
· Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.
· Пространство и время метрически бесконечны.
· Пространство и время однородны и изотропны.
· Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моде лью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.
В 1922 г. российский математик и геофизик Л. А. Фридман о (бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.
Решение уравнений А. А. Фридмана, допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т. е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности
Вселенной пока преждевременно.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер. Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.
В 1929 г. американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию,— система галактик расширяется.
Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.
Современная модель строения материи (вопрос № 20)
Весь наш мир мы условно делим на три уровня – мегамир, макромир и микромир. Мегамир – это космические системы и неограниченные масштабы. Макромир – это макроскопические тела размером от 10-6 до 107 см. Микромир сам делится на два подуровня: атомно-молекулярный (10-8-10-7 см) и квантовый (область, порядка 10-15 см). Это деление мира на уровни весьма условно, и все же процессы микромира нельзя рассматривать так же, как макропроцессы в неком уменьшенном масштабе, поскольку явления микромира подчиняются другим закономерностям и изменяются на основе иных принципов. Элементарными (субъядерными) частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. Они подразделяются на стабильные и нестабильные.
Всем элементарным частицам присущи такие основные черты:
§ частицы, пока существуют, неизменны.
§ частицы одного сорта абсолютно одинаковы, неразличимы;
§ частицы могут рождаться и исчезать.
Адроны. Этих частиц сотни, хотя стабильных среди них очень мало. Именно такое их количество привело ученых к мысли о том, что адроны в отличие от лептонов, не элементарны, а состоят из еще более дробных частиц. Адроны бывают двух разновидностей – нейтральные и электрически заряженные. Это нейтроны, протоны и множество короткоживущих частиц (резонансов). В 1947 г. в космических лучах обнаружены положительные и отрицательные п-мезоны, они в 280 раз тяжелее электрона. В 1949-1952 гг. открыты к-мезоны, гипероны (сверхтяжелые частицы) и барионные резонансы (барионы). Они получили название странных частиц, поскольку оказалось, что прямого отношения к образованию вещества эти частицы не имеют. Предполагается, что странные частицы существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной.
Лептоны. Спин у всех лептонов – ½, а вот заряд может быть различным, либо отсутствовать вовсе. Наиболее известным лептоном является электрон. В 1932 г. в составе космических лучей была открыта античастица – позитрон, имеющий такую же массу как электрон, но противоположный по знаку заряда. Античастицы отличаются от соответствующих им частиц только зарядом, а в остальных характеристиках идентичны. Античастицы-двойники есть у каждого лептона. Мюоны обладают либо положительным, либо отрицательным зарядом. По своим свойствам они похожи на электроны, но в 200 раз тяжелее. «Живут» мюоны лишь две миллионных доли секунды, распадаясь на электрон и два нейтрино. Кстати, обратите внимание на парадокс, характерный для микромира: при распаде «исчезает» значительная часть массы покоя. Известен сверхтяжелый тау-лептон (3500 масс электрона). Нейтрино – самая распространенная во Вселенной частица – уникальна, ибо подвержена действию только слабых сил, ее взаимодействие с веществом ничтожно, потому она легко проходит сквозь планету «не заметив» ее. Ежесекундно каждый квадратный сантиметр земной поверхности пронзают 300.000 нейтрино, летящих из космического пространства. Существует 3 разновидности нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Всего, таким образом, существует 12 разновидностей лептонов (6 лептонов и 6 антилептонов).
Глюоны (от англ. glue - клей) – образно говоря, это и есть «клей», не дающий миру распасться в небытие. Глюоны обеспечивают фундаментальные взаимодействия. Гравитационное взаимодействие, возможно, переносится гипотетическим гравитоном – безмассовой частицей со скоростью равной скорости света. Однако, гравитон до сих пор не найден и является исключительно детищем придумавших его теоретиков. В отличие от гравитации, квантовые свойства электромагнитного поля легко наблюдать, поскольку хорошо известны носители этого взаимодействия – фотоны. Сильное взаимодействие обеспечивают собственно глюоны. Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны, их масса очень велика (примерно 100 протонов).
Кварки. Чайки метались над бурным морем и кричали резкими, неприятными голосами «Три кварка для мистера Марка!» - так описал сон своего героя Дж. Джойс в романе «Поминки по Финнегану». Сюрреалистическое слово из сна послужило в дальнейшем названием для мельчайших частиц. Сейчас известно, что адроны состоят из кварков и антикварков. На сегодняшний день кварки и антикварки считаются неделимыми, их по 6 типов, которые называются «ароматами» (flowers): u (up), d (down), с (charm), s (strangeness), t (top) и b (bottom). Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы.
Симметрия – ключ к пониманию фундаментальных взаимодействий. Они и существуют для того, чтобы поддерживать в природе набор абстрактных симметрий. Предмет считается симметричным, если он остается неизменным после какой-либо операции по его преобразованию. Симметричны некоторые неизменные при повороте геометрические фигуры (геометрическая симметрия), симметричны тела рыб, птиц (зеркальная симметрия) и т.д. Калибровочная симметрия – более абстрактное понятие из области физики. Система обладает такой симметрией, если ее природа остается неизменной при преобразовании отсчета уровня, масштаба или значения какой-либо физической величины.
Суперструны. При удалении заряженных частиц где-то на 10-13 см силовые линии между ними искажаются. Оказалось, что сила взаимодействия между кварками с увеличением расстояния между ними не уменьшается, а возрастает. И при расположении кварков на расстоянии порядка метра, эти силы преобразуются в тонкую так называемую глюон-нить. Такие соображения легли в теорию суперструн – главное направление современной теоретической физики. В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. По теории суперструн элементарные частицы – это колебания одномерных объектов (струн), имеющих размеры 10‑33 см. Струны могут быть конечной длины или в виде колечек. Теория суперструн пока не привела к каким-либо физическим результатам, но это не помешало физикам-теоретикам, исследующим струны, нескромно назвать ее «Теорией Всего», хотя ее авторы претендуют на понимание только некоторых предельных случаев и говорят лишь о намеках на некую общую М-Теорию (Магическую, Мистическую). Если любые частички можно представить в виде неких нитей, то согласно дальнейшей разработке теории, пространство можно представить в виде пересекающихся суперструн, которые могут формировать новую метрику пространства.
Итак, вакуум – не абсолютная пустота. Еще в 1920г. Эйнштейн заметил: «Общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами, таким образом, в этом смысле эфир существует». Квантовая теория, согласно еще одной гипотезе, наделила пространство нулевыми колебаниями электромагнитного, гравитационного и других полей. В чем суть «нулевых колебаний»? Вакуум пронизан электромагнитными, гравитационными и иными полями. И ни в одном из них нет реальных квантов. Но по законам квантовой механики для всякого поля характерны колебания, которые, в свою очередь, невозможны без частиц. Таким образом, колебание поля в вакууме должно порождать виртуальные частицы. Более того, при определенных условиях (например, при воздействии полем высочайшей напряженности) эти частицы способны превращаться из виртуальных в реальные – вакуум способен порождать материю!
Проблемы вакуума и сверхсильных магнитных и гравитационных полей очень актуальны. Естественными источниками таких полей могут быть нейтронные звезды-магнетары с мощнейшим магнитным полем и черные дыры. Пока астрофизики ищут подтверждение этой гипотезы в далеком космосе, другие ученые не прочь попытать счастья в экспериментах на Земле. В печать просочились сведения об эксперименте «Филадельфия», поставленном в 1940-х гг. на одной из военно-морских баз США. На эсминец «Элдридж» с целью создания эффекта «невидимости» для радаров противника были, якобы, установлены агрегаты, генерирующие сверхсильное пульсирующее вращающееся магнитное поле. Эксперимент готовился при участии Эйнштейна. Его последствия оказались столь неожиданными, что до сих пор недоступны широкому кругу интересующихся.
Классификация элементарных частиц (вопрос № 21)
По величине спина (собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого)
Все элементарные частицы делятся на два класса:
§ бозоны – частицы с целым спином (глюкон, фозон, месоны);
§ фермионы – частицы с полуцелым спином (электрон, протон, нейтрон, нейтрино).
По видам взаимодействий
Элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные частицы
§ адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
§ мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;
§ барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.