ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.01.2020
Просмотров: 1329
Скачиваний: 3
При объяснении явлений мегамира велика роль гравитационного взаимодействия. Всякое тело притягивает другие тела, но сила гравитации быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними.
Помимо звезд в мегамире существуют и планеты. Все различия между звездами и планетами являются следствием различия их масс.
Солнечную систему образует Солнце и движущиеся вокруг него девять планет. Солнце —единственная звезда, все остальные планеты —это остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом. По орбите Земля движется со скоростью 30 км/с. Ее орбита незначительно отличается от круговой.
Солнце вращается вокруг своей оси, делая один оборот за 25 суток. Однако для земного наблюдателя вращение Солнца кажется происходящим с периодом 27 суток, поскольку Земля вращается в том же направлении. Температура в поверхностных слоях Солнца составляет 6000К. Больше всего на Солнце водорода (70% от всей его массы) и гелия( 28%). Особенностью строения Солнца является наличие в его фотосфере солнечных пятен, в которых сосредоточены сильные магнитные поля. Кроме этого, на Солнце наблюдаются и такие нестационарные явления, как вспышки. Солнце излучает в мировое пространство огромную энергию ( 1,3 1034 Дж в год).
В истории научной мысли существовали разные гипотезы, раскрывающие происхождение Солнечной системы (космологическая гипотеза Канта-Лапласа, Дж.Х. Джинса и др.). Сейчас широко известна концепция, выдвинутая Х. Альфеном и Ф. Хойлом, которые предположили, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль в зарождении Солнечной системы. Солнце и планеты образовались из газового облака, состоящего из ионизированного газа и подверженного влиянию электромагнитных сил. На большом расстоянии от Солнца остались небольшие остатки этого газа, которые стали притягиваться под действием сил гравитации к образовавшейся звезде. Но магнитное поле звезды остановило падение этих остатков, а далее произошла их концентрация, в результате чего и образовались планеты. И вместе с тем вопрос о происхождении Солнца и Солнечной системы до сих пор остается открытым, поскольку и в данной концепции имеются некоторые противоречия.
Модели мегамира отражены в космологических моделях Вселенной. Космология рассматривается как наука об устройстве и развитии Вселенной. В истории имели место разные модели Вселенной. Долгое время преобладающей выступала модель стационарного состояния Вселенной, согласно которой последняя не имеет эволюционных процессов. Классическая ньютоновская космология исходила именно из такого подхода, по которому меняться могут конкретные космические системы, но не Вселенная в целом. Первую концепцию эволюционирующей Вселенной построил Кант. Он выдвинул гипотезу о рождении и развитии космических тел, звезд и их скоплений, Солнечной системы и входящих в нее тел. Современник Канта — П. Лаплас предложил свою концепцию иерархической Вселенной, во многом развивающую представления великого немецкого философа. Обе гипотезы в XIX веке были объединены в небулярную теорию Канта—Лапласа.
Эйнштейн при работе над общей теорией относительности исходил из идеи стационарной Вселенной. Он отказался от ньютоновских постулатов абсолютности пространства и времени и обосновал идею, что метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Эйнштейн считал, что пространство однородно и изотропно, а плотность материи во Вселенной распределена равномерно. По его мнению, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космическим отталкиванием. Ученый предполагал, что время существования Вселенной бесконечно, а самопространство —безгранично, но конечно.
Уравнения, полученные Эйнштейном, были изучены В. де Ситтером и А. Фридманом. Ситтер предложил иную модель Вселенной. Он рассмотрел модель пустой Вселенной, в которой два объекта расположены на столь большом расстоянии, что можно пренебречь притяжением между ними. Стационарность мира требовала нарушения равновесия —галактики должны начать удаляться друг от друга с ускорением. Фактически Ситтер предсказал расширение Вселенной.
В 1922 году российский ученый А. Фридман отбросил постулат стационарности Вселенной и сформулировал принятое в настоящее время решение космологической проблемы. Причем возможны три варианта уравнений Фридмана*.
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 описывается геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, а расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным представлениям, критическая плотность 10-26 кг/м3. В настоящее время для средней плотности получено значение 10-28 кг/м3, что соответствует открытой модели.
В 1929 году американский астроном Э. Хаббл установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Доплера, свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Заметим, что в этом случае мы должны считать Вселенную не только безграничной, но и пространственно бесконечной. Но сменится ли расширение сжатием и когда это произойдет? Сейчас ответы на эти вопросы могут рассматриваться только как гипотезы.
Но если галактики разбегаются, то что было до их разбегания? На это отвечает теория «Большого взрыва», разработанная Г. Гамовым. Суть ее такова: 15—20 миллиардов лет назад все вещество Вселенной находилось в сверхплотном состоянии (r 10-33 см, 1093 г/см3, Т 1034 К) — состоянии«сингулярности». Затем произошел взрыв, в итоге каждая частица материи устремилась прочь от другой. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, протоны и нейтроны. Спустя 100 с после взрыва протоны и нейтроны начали объединяться в ядра легких элементов (в основном тяжелого водорода и гелия, в меньшем числе лития и бериллия). Через несколько часов после Большого взрыва закончилось образование ядер элементов. Далее (по истечении нескольких сотен тысяч и более лет) образовались атомы и молекулы, химические элементы, планеты.
В 1964 году А. Пензиас и Р. Вильсон открыли во Вселенной новое радиоизлучение, названное И. Шкловским реликтовым, которое представляет собой излучение горячей плазмы. Открытое в известной мере случайно (хотя теоретически оно было предсказано в 1948 году Гамовым) при изучении радиопомех, оно явилось доказательством справедливости теории «Большого взрыва». Однако и данная теория требует дальнейшего уточнения.
Несмотря на подтверждение модели Большого взрыва, разрабатываются и новые модели, разрешающие некоторые ее трудности. Среди них —гипотеза Альфвена (считающего, что электромагнитные силы играли более существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация).
Тема
5
Пространство и время
Исторически сложились два основных подхода к пониманию пространства и времени. Первый подход —субстанциональный. Пространство и время понимаются в данном случае как нечто самостоятельно существующее наряду с материей, как ее «вместилища». При этом пространство —это «чистая протяженность», а время — «чистая длительность». Такой позиции придерживался Демокрит, однако свое всестороннее развитие эта концепция получила у Ньютона и в классической механике в целом.
Второй подход —реляционная концепция пространства и времени. Ее развивали Аристотель, Лейбниц и другие. Согласно этому подходу, пространство и время —не особые субстанциональные сущности, а формы существования материальных объектов: пространство выражает сосуществование объектов, а время —последовательность их состояний. Реляционный подход был воспринят релятивистской физикой, в которой пространство и время стали пониматься как общие формы координации материальных объектов и их состояний (пространство —совокупность отношений, выражающих координацию сосуществования объектов, их расположение друг относительно друга, а время —совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний, их последовательность и длительность).
В классической механике для описания механического движения необходимо выявление координат движущегося тела, что требует введения понятия «система отсчета». Существуют физические различные типы систем отсчета: инерциальные системы (движущиеся равномерно, прямолинейно относительно друг друга) и неинерциальные (движущиеся с ускорением). Принцип относительности Галилея утверждает физическую эквивалентность всех инерциальных систем отсчета: состояние равномерного, прямолинейного движения никак не сказывается на происходящих в системе механических процессах и никакими механическими экспериментами, проводимыми внутри системы, нельзя определить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.
Но существуют ли инерциальные системы в действительности? Поиски ответа на этот вопрос и привели к понятию абсолютного пространства, которое представлялось неподвижным.
Кроме того, пространственные и временные координаты входят в уравнения классической механики неравноправным образом: временная координата в движущейся системе зависит только от временной координаты в неподвижной и никак не связана с пространственными (время мыслится как существующее независимо от пространства). Основными метрическими характеристиками пространства и времени являются расстояние между двумя точками в пространстве (длина) и двумя событиями во времени (промежуток), которые также имеют в классической механике абсолютный характер. Итак, время и пространство в классической механике независимы друг от друга и вообще от любых свойств материальных объектов.
В середине XIX века были проведены опыты по измерению скорости света с (с = 3.108 м/с). Сразу стал вопрос: скорость света по отношению к чему? Большинство физиков предположили, что к эфиру, который неподвижен и является прообразом абсолютного пространства. Найдя разность между скоростью света в эфире и скоростью света в данной системе отсчета, можно было бы определить скорость движения этой системы относительно эфира. Эта идея легла в основу опыта Майкельсона—Морли. Однако опыт дал отрицательный результат.
Принципиально новый подход к пониманию пространства и времени был предложен Эйнштейном, который создал специальную теорию относительности (СТО) и общую теорию относительности (ОТО).
Основу СТО составили два постулата:
• принцип относительности Эйнштейна, обобщающий принцип относительности Галилея на любые физические явления: все физические процессы (при одних и тех же условиях) в инерциальных системах отсчета протекают одинаково; все инерциальные системы отсчета равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета;
• принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света.
Данные постулаты противоречили представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона. Эйнштейн предположил, что время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, что промежуток времени между двумя какими-либо событиями относителен и будет зависеть от выбора системы отсчета. События, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, будут не одновременными в других системах.
Линейные размеры тела также зависят от скорости движения. Время и пространство в СТО оказались взаимосвязанными, образуя четырехмерный пространственно-временной континуум.
Математическая интерпретация СТО нашла выражение в преобразованиях Лоренца. Эти уравнения позволяют выразить координаты в движущейся системе К через координаты неподвижной К и наоборот.
Как видно из формул, пространство и время в них входят равноправным образом, а длина и временной промежуток имеют относительный характер. Предмет обладает наибольшей длиной в системе, где он покоится. Длина, измеренная в движущейся системе отсчета, сокращается в раз. Этот эффект называют релятивистским сокращением длины. Промежуток времени будет наименьшим в покоящейся системе, а в движущейся системе он возрастает в раз. Данный эффект обозначается как релятивистское замедление течения времени.
Таким образом, в СТО длина и промежуток времени утрачивают свой абсолютный характер. Но одновременно с этим возникает вопрос о природе релятивистских эффектов. Их объяснение было представлено в разных концепциях: динамической (предложенной Лоренцем и Фицджеральдом), согласно которой тела при движении действительно сокращаются, что вызвано динамическими причинами, силовыми воздействиями на них; субъективистской, признающей зависимость длины и временного промежутка от субъекта наблюдения, и, наконец, релятивистской. Суть последней состоит в том, что она исходит из признания релятивистских эффектов как реальных, но относительных эффектов. Длина не есть характеристика тела самого по себе, а выражает отношение тела к определенной системе отсчета и имеет смысл лишь в связи с ней. Аналогично дело обстоит и с временным промежутком. Данная зависимость становится заметной лишь при околосветных скоростях.
В СТО исчезли прежние абсолютные величины классической физики (длина и временной промежуток); они стали относительными. Зато появились новые абсолюты: скорость света и единый пространственно-временной континуум.
Из СТО вытекает ряд следствий:
• закон сложения скоростей: при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света;
• зависимость массы тела от скорости его движения;
• взаимосвязь массы и энергии, выраженная в формуле E=mc2.
В 1916 году была опубликована общая теория относительности Эйнштейна, или теория тяготения. Эйнштейн обобщил СТО на ускоренные системы, ограничил применимость постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь, расширил принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ОТО он исходил из эквивалентности гравитационных и инерционных масс, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей. Принцип эквивалентности носит локальный характер и справедлив лишь в бесконечно малых областях пространства-времени. Однако это не помешало Эйнштейну сформулировать общий принцип относительности, утверждающий ковариантность законов природы в любых системах отсчета.
Все это потребовало иной, более общей формулировки законов физики, а также изменения представлений о геометрии пространства.
Долгое время в науке господствующей выступала геометрия, чьи постулаты были сформулированы Евклидом. Он выдвинул аксиомы геометрии для пространства с нулевой кривизной, в которой сумма углов треугольника равна 180° (рис. 1а). Евклидова геометрия реализуется на плоскости.
Однако затем были предложены другие геометрии. Так, Б. Риман представил пространство с положительной кривизной (сумма углов треугольника больше 180°) в виде сферы (рис. 1б).
Н. Лобачевский и Я. Больяй представили геометрию с отрицательной кривизной (сумма углов треугольника меньше 180°) в виде псевдосферы (рис. 1в).