Файл: Концепций Современного Естествознания.doc

Квантово-механическое описание микромира основывается на принципе неопределенности, установленным нем. физиком Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора.

Суть принципа неопределенности: никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость, т.е. где находится в данный момент времени частица, как быстро и в каком направлении она двигается. Принцип неопределенности есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его.

С принципом неопределенности перекликается принцип запрета Паули, открытый в 1925 г. австр. физиком В. Паули. Его суть: две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если бы в сотворении мира не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в единые, четко определенные частицы – нейтроны и протоны, а те, в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, четко определенные атомы. Без этого принципа они бы просто сколапсировали и превратились бы в более или менее однородное «желе».

Суть принципа дополнительности: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего» (Н. Бор). Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов является результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и микроприборов.

Частицы – переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия, которые, в свою очередь, образуют четыре типа полей.

Поле взаимодействия	Переносчики взаимодействия	Сфера действия
Слабое поле и слабое взаимодействие; взаимодействие всех частиц со спином 1/2, кроме фотонов и гравитонов и частицами со спином 0, 1, 2. Сильное поле и сильное взаимодействие (ядерное); удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Эл/магнитное поле и эл/магнитное взаимодействие. Это взаимодействие всех частиц, кроме нейтрино и гравитонов. 4) Гравитационное поле и гравитационное взаимодействие.	Три промежуточных бозона. 8 глюонов из сем. бозонов. Фотоны. Гравитоны	Интимная сфера элементарных частиц, т.е. очень маленький радиус действия; маловероятное и медленно протекающее взаимодействие. Отвечает за радиоактивность. Ядро. Это взаимодействие приводит к быстропротекающим процессам в ядре на коротких расстояниях. Отвечает за ядерные реакции. Между электрически заряженными частицами: между электронами и протонами в ядре, между атомами, между молекулами. Это взаимодействие определяет строение и свойства атомов и молекул, его проявление разнообразны: силы притяжения и отталкивания, силы трения и упругости, давление, химические реакции. Может быть как силой сближения, так и силой отталкивания. Макрообъекты и космические тела, т.е. действует на больших расстояниях и всегда сила сближения. Очень слабая сила.

---

5. Философское основание – диалектический материализм (признание эволюционного преобразования мира).

Теоретичесикй базис – квантовая физика, квантовая механика.

Теории и законы – теория относительности и теория поля Эйнштейна.

Природа – это саморазвивающаяся материя, представленная тремя разновидностями: вещество, поле, вакуум, между которыми отсутствует разделяющая грань, т.е. постоянно происходят взаимопревращения этих видов материи друг в друга. Кирпичики вещества – это молекулы и атомы.

Физический вакуум – это не пустота в обычном смысле слова, а особое, невозбужденное, низшее энергетическое состояние полей. Вакуум заполнен виртуальными частицами, которые возникают сами по себе, чтобы вскоре исчезнуть. Вакуум обладает какой-то минимальной энергией, которой мы не можем воспользоваться. При наличии внешнего источника энергии возможен переход вакуума в возбужденное состояние, при котором виртуальные частицы превращаются в реальные.

Случайность встроена в механизм эволюции материи.

Четыре вида полей и четыре типа взаимодействия: слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное.

Квантово-полевая картина природы диалектична. Она точнее отражает диалектически противоречивую действительность, многообразие явлений, взаимопревращаемость. Масса и энергия взаимосвязаны. Волновые и корпускулярные свойства объединяются. Все грани в природе условны и относительно подвижны.

Тема 9. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции.

1. Научные предпосылки формирования современной картины Вселенной.

2. Современные космологические модели Вселенной. Космологические принципы.

3. Синергетическая модель возникновения материи. Этапы развития Вселенной.

4. Строение и эволюция галактик.

5. Звездная форма бытия космической материи: концепции образования, состав, строение и эволюция.

6. Планеты: концепции образования, развитие и строение.

1. Первые глобальные научные открытия были сделаны учеными не в земной области, а в области Вселенской, космической. Именно из этих астрономических знаний родилась новая картина строения Вселенной, разрушая все старые привычные представления об окружающем людей мире.

А) Картины мира античности: геоцентрическая (Аристотеля), прироцентрическая (Филолая), гео-гелиоцентрическая (Понтийского), геоцентрическая (Птолемея).

Геоцентрическая картина мира (Аристотеля): (см. тему 5).

Пироцентрическая картина мира (Филолая). Сущность: в центре мира – огонь, центр тяжести, опорная точка всего сущего. Земля не вращается вокруг своей оси. Первой от центрального огня расположена противоземля, которая придумана для того, чтобы объяснить смену дня и ночи. Люди не видят ни огня, ни противоземли, т.к. населяют противоположную часть Земли. Когда Солнце и населенная часть Земли находятся на одной и той же стороне от центрального огня, наступает день, когда на противоположной – ночь. Прогрессивные черты этой картины мира: Земля не покоится в центре мира, а занимает второстепенное положение среди небесных объектов.

---

Гео-гелиоцентрическая картина мира (Г. Понтийского). Сущность: два центра мира: Земля и Солнце, а все планеты расположены на своих сферах дальше. Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, вызывая, тем самым, видимое движение неба и смену дня и ночи. Мир конечен. Последняя сфера в этой картине – это сфера неподвижных звезд. Прогрессивные черты этой картины мира: Солнце помещается в центр мира; вращение Земли вокруг своей оси.

Геоцентрическая картина мира (Птолемея). Сущность: теория вторичных кругов. Основана на картине мира Аристотеля. Все планеты равномерно движутся по особым кругам – эпициклам. А центр каждого эпицикла равномерно скользит по окружности большого круга – деферента. Круговую орбиту описывает не сама планета, а ее центр, нематериальный и пустой. Центр эпицикла – это воображаемая точка. Планеты движутся вокруг пустоты благодаря божественной силе.

Б) Гелиоцентрическая картина мира Коперника + вклад Дж. Бруно, Г. Галилея, Н. Кеплера и И. Ньютона. (см. тему 5).

В) Первая космологическая модель Вселенной А. Эйнштейна (1917 г.): Вселенная стационарная, бесконечна во времени и безгранична в пространстве, без центра. Пространство безгранично, но конечно.

2. В 1922 г. рос. физик А.А. Фридман нашел ряд решений для расширяющихся Вселенных, заполненных веществом. Три модели Вселенной Фридмана и поныне служат основой для самых современных космических построений. Фридман сделал два очень простых предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее не наблюдали (изотропность Вселенной), и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места (однородность Вселенной). Эти два предположения составляют суть космологического принципа.

Существуют три разные модели Фридмана, для которых выполним космологический принцип. В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинает сжиматься. Соответственно, в этом случае пространство сферическое, размеры ее конечны. Такая модель получила название «пульсирующей». Эта модель приемлема в том случае, если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной больше некоторой критической величины.

Во второй модели Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено как поверхность седла и бесконечное. Эта модель приемлема в том случае, если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной меньше некоторой критической величины и мировое пространство обладает геометрией Лобачевского.

В третьей модели Вселенная так же расширяется бесконечно, но пространство плоское и тоже бесконечное. Эта модель приемлема в том случае, если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине и мировое пространство оказывается евклидовым.

---

Общее в этих моделях: отсутствие центра, динамичность, в какой-то момент времени в прошлом расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю.

С другой стороны, амер. астроном Хабл в 1929 г., сопоставляя наблюдаемое систематическое доплеровское «покраснение» далеких галактик по мере их удаления от нас, установил, что эти галактики равномерно удаляются от нашей Галактики и друг от друга, т.е. вся наша Метагалактика (обозримая астрономическим наблюдением часть Вселенной) систематически равномерно расширяется. Напомним, что эффект Доплера – это увеличение длины волны света при движении источника этого света и наблюдателя друг относительно друга.

Получается, что у Вселенной было начало во времени?

Ответ на этот вопрос был получен в 1965 г. англ. математиком и физиком Р. Пенроузом. Он показал, что при сжатии звезды под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой сжимается до нуля, тоже самое происходит с ее объемом. Возникает сингулярность (точка, в которой теория относительности неприменима, т.к. бесконечная плотность материи и бесконечная кривизна пространства-времени) в области пространства-времени, которую образно называют «черной дырой».

И в том же 1965 г. американские ученые Пензиас и Вильсон наблюдали реликтовое излучение – поток фотонов, возникших в эпоху начала расширения Вселенной, что так же доказывало начало «жизни» Вселенной.

Для того, чтобы знать, какая из моделей Фридмана подходит для нашей Вселенной, необходимо знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность. Пока этими показателями наука не владеет.

3. Итак, современная синергетика допускает, что материя могла возникнуть из «ничего», т.е. из возбужденного вакуума, самопроизвольно, вследствие случайной (спонтанной) флуктуации (отклонение параметров от первоначальных) в точке сингулярности, т.е. появление виртуальных частиц и приобретение вакуумом особых свойств. Дальнейшее развитие либо возвращает систему в исходное состояние (состояние равновесия), либо удаляет от него, и система достигает точки бифуркации. Это переломная точка в развитии системы, когда возврат к начальным условиям необязателен и возможен необратимый переход в новое состояние: от виртуальных частиц к реальным. Это и есть Большой взрыв, который произошел 18-20 млр. лет назад одновременно и везде, заполнив с самого начала все пространство. Причем, каждая частица материи, возникнув, устремилась прочь от любой другой. С этого момента Вселенная начала существовать и расширяться. Но центра расширения нет, расширяется само пространство, т.е. происходит увеличение расстояния между галактиками.

Этапы развития Вселенной.

I период – эра элементарных частиц (очень ранняя, плотная и горячая). Включает три эпохи.

---

Эпоха андронов: время от начала Большого взрыва – 10^-23 – 10^-20 сек.; Т = 10¹⁰ – 10¹¹ К. при такой температуре вся материя существовала в виде частиц и античастиц.

Эпоха лептонов: время от начала Большого взрыва – 10^-20 – 1 сек. Из неустойчивых тяжелых частиц образовались легкие. Первые мгновения число частиц и античастиц было одинаково. С равной вероятностью шли процессы образования пары е⁺ + е^- и их аннигиляции (уничтожения) ли распад на поток фотонов. К концу первой секунды из-за остывания процессы аннигиляции начинают преобладать. Если бы число частиц и античастиц было одинаковым, то осталось бы только излучение и вещества не образовалось бы. Вероятно на 100000000 частиц было 99999999 античастиц, т.е. на одну меньше. Поэтому строительный материал остался и вещество в дальнейшем образовалось.

Эпоха радиации: время от начала Большого взрыва – 1-100 сек. В этот период фотоны по численности преобладают и вещество отступило на второй план перед эл/м излучением.

II период – эра плазмы. Время от Большого взрыва – первый млн. лет; Т = 10⁴ – 10⁶ К. В этот период идет образование ядер водорода и гелия. В таких условиях атомы ионизированы. К концу периода по мере снижения температуры материя все более преобладает над излучением. Через млн. лет температура снизилась до 3 тыс. К и возникли условия для образования атомов.

III период – эра вещества. Все остальное время. Включает три эпохи.

Атомная эпоха. В этот период происходит разделение вещества и излучения. Температура понизилась, энергия квантов уменьшилась. Образуются атомы. Вместо плазмы Вселенная заполнена водородо-гелевым облаком.

Галактическая эпоха. Ее продолжительность 10 млр. лет. В ее начале Т = 3 тыс. К.

Звездная эпоха, в которой мы живем и сейчас.

4. Галактика представляет собой гиганское скопление звезд и их систем.

Состав галактики: 1) звезды и звездные скопления (одиночные звезды с планетными системами, двойные звезды, кратные звезды, звездные скопления); 2) туманности (диффузные и планетарные); 3) космические лучи и магнитные поля, разряженный межзвездный газ и межзвездная пыль.

Многообразие галактик. Галактики отличаются размерами, числом входящих в них звезд, светимостями, внешним видом. По внешнему виду различают: 1) эллиптические (самые изученные – пр.: гигантские, карликовые); 2) спиральные (самые многочисленные – пр.: наша Галактика, туманность Андромеды); 3) неправильные – не имеют четко выраженного центрального ядра (пр.: Большое и Малое Магеллановы облака). Из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Водород – это самый простой «кирпичик», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. И масса звезд зависит от этого: чем массивнее звезда, тем более сложные атомы в ней синтезируются.

Наша Галактика по форме спиральная и называется Млечный путь. Она состоит где-то из 120 млрд. звезд. В центре сосредоточено незначительное количество самых ярких звезд – это ядро. В ядре не только звездные скопления, но и компактные массивные уникальные объекты, газовые диски и кольца из водорода – области звездообразования. Этот центр – мощный источник энерговыделения (радио, инфракрасного, рентгеновского и гамма излучения) От ядра отходят четыре спиральные ветви. Диаметр нашей Галактики приблизительно 100 световых лет. На расстоянии где-то 30 световых лет от центра нашей Галактики расположена наша Солнечная система. Ближайшей галактической системой является галактика – туманность Андромеды. Солнечная система движется вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/сек., совершая полный оборот за 200 млн. лет. Мы вместе со всей Галактикой летим по направлению к туманности Андромеды со скоростью 40 км/сек.

---