Концепции современного естествознания Ч. III Физические концепции
Структурные уровни организации материи Микромир мир элементарных частиц, атомов, молекул и некоторых надмолекулярных структур типа клетки, хромосомы и т.д. Макромир объекты, окружающие нас в повседневной жизни, объекты, соразмерные человеку Мегамир звезды, галактики и т.д.
Система мира Ньютона 1.Полная эквивалентность земного и небесного - как в отношении свойств материи, из которой они состоят, так и в отношении физических законов, которые ими управляют. 2.Абсолютность пространства и абсолютность времени 3.Бесконечность Вселенной 4.Вечность и неизменность Вселенной Инерциальные и неинерциальные системы
Преобразования Галилея Принцип относительности Галилея - законы физики должны быть одинаковы (инвариантны) с точки зрения любого наблюдателя, движущегося с постоянной скоростью. Точечное событие - нечто происходящее в данной точке пространства Х Z Z V K K Х y y
Инвариантность законов физики: не только действие законов, но и их математическая формулировка не изменяется при переходе от неподвижной к движущейся системе отсчета. Принцип соответствия: любая новая физическая теория должна в некотором пределе воспроизводить результаты старой проверенной теории, например, любая теория гравитации в пределе малых скоростей и слабых гравитационных полей должна сводиться к гравитации Ньютона F = GMm/D 2 где G гравитационная константа, определяемая экспериментально (6,67 × 10 –11 (Н м 2 /кг 2 )).
Противоречия в системе мира Ньютона 1. Фотометрический парадокс: стационарной Вселенной, равномерно заполненной звездами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Значит Вселенная не бесконечна или конечно число звезд
2. противоречие между электромагнитными явлениями и одним из фундаментальных принципов классической физики – принципом относительности Галилея Пусть в системе (х, у, z) покоится электрический заряд. Согласно законам электростатики он создает вокруг себя электрическое поле. В то же время для наблюдателя, находящегося в системе (х, у, z ), движущейся со скоростью v относительно первой системы, заряд движется и, следовательно, представляет собой электрический ток, который создает вокруг себя магнитное поле. В одной системе мы имели электрическое поле, а в другой получили электрическое плюс магнитное. Один и тот же объект в разных системах создает разные физические поля, что не согласуется с принципом Галилея.
3. Опыт Майкельсона-Морли. 1887г Цель – обнаружить светоносный эфир Интерферометр:
Опыт отверг наличие светоносного эфира: Чтобы распространяться в пространстве, свет не нуждается в «светоносном эфире». Вывод: абсолютной системы отсчета не существует.
Преобразования Лоренца, 1904г В этих уравнениях явления электромагнетизма инвариантны. При v
Специальная теория относительности 1905г 1.Специальный принцип относительности : в любых инерциальных системах все физические процессы: механические, электромагнитные, тепловые, оптические и так далее – протекают одинаково. 2.Принцип постоянства скорости света в вакууме: скорость света в вакууме не зависит от движения источника света или наблюдателя, одинакова во всех инерциальных системах отсчета и является предельной скоростью распространения какого-либо сигнала Постулаты Теория, заменившая механику Ньютона при описании движения тел со скоростями, близкими к скорости света. При малых скоростях различия между результатами СТО и ньютоновской механикой становятся незначительными.
Релятивистские эффекты – следствия СТО 1. Лоренцево сокращение в движущихся системах происходит изменение длины тела вдоль направления движения 2. Относительность одновременностей одновременные события в движущейся системе К' для неподвижного наблюдателя в системе К неодновременны
3. Замедление времени: В движущейся системе отчета течение времени замедляется в: 4. Связь между полной энергией движущегося тела E и его массой m 5. Связь массы тела m со скоростью: где m o – масса покоящегося тела, или просто масса покоя
6. Закон сложения скоростей: u - скорость тела, измеренная системой отсчета К и' - скорость тела, измеренная системой К v - скорость системы К относительно К Если c >> v то знаменатель И уравнение превращается в вид : Если скорость тела, например, u равна скорости света с, то имеем:
С математической точки зрения, непривычные свойства СТО можно интерпретировать как результат того, что время и пространство не являются независимыми понятиями, а образуют единый четырёхмерный континуум пространство-время Минковского, которое является псевдоевклидовым пространством. Вращения в этом четырёхмерном пространстве-времени, смешивающие временную и пространственные координаты 4- векторов, выглядят для нас как переход в движущуюся систему отсчета и похожи на вращения в обычном трёхмерном пространстве. При этом естественно изменяются проекции четырёхмерных интервалов между определёнными событиями на временную и пространственные оси системы отсчёта, что и порождает релятивистские эффекты изменения временных и пространственных интервалов. Скорее всего СТО ожидает такая же судьба, как и механику Ньютона будут точно очерчены пределы её применимости. В то же время такая максимально общая теория пока является очень отдалённой перспективой, и не все учёные считают, что её построение вообще возможно
Общая теория относительности. 1916г (геометрическая теория тяготения) 1.Общий принцип относительности: законы физики имеют одинаковый вид (инвариантны) в любых произвольно движущихся (неинерциальных) системах координат. 2.Принцип локальной эквивалентности : в достаточно небольшой области пространства и времени (в которой поле тяготения можно считать однородным и постоянным во времени) гравитация проявляется в физических процессах так же, как и ускорение. (все явления, которые обусловлены неинерциальностью системы отсчета, могут наблюдаться в инерциальной системе в результате действия сил тяготения)
Существование гравитационного поля может считаться лишь относительным. Гравитационное поле, в отличие от других полей, может быть "устранено" переходом в систему отсчета, движущуюся с ускорением – таким переходом может быть, например, прыжок с крыши. Гравитация - это не поле, а свойство пространства. Массивное тело не создает вокруг себя никакого поля, оно искривляет вокруг себя пространство. В результате движение тел происходит в искривленном пространстве. Пространство "говорит" материи, как ей двигаться, а материя "указывает" пространству, как ему искривляться. Путь тела, движущегося по инерции в искривленном пространстве, описывается не прямой линией, а так называемой геодезической линией, форма которой зависит от степени кривизны пространства.
Движение искривленном пространстве
Экспериментальные подтверждения ОТО 1.Сравнение хода часов на разл. удалении от массивного тела. 2.лучи света распространяются в искривленном пространстве по искривленной траектории. Наблюдатель масса
3. В инерциальной системе фотон летит по прямолинейной траектории (ось Х). В неинерциальной системе отсчета, одновременно с движением вдоль оси x со скоростью с, фотон будет двигаться неравномерно вдоль оси y. Путь вдоль оси y составит: y a x y=at 2 /2 Отсюда следует уравнение луча в неинерциальной системе отсчета:
4. Гравитационные линзы Н С Источник Наблюдатель
5. Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени
Фундаментальные взаимодействия Фундаментальные взаимодействия - различные, не сводящиеся друг к другу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. 1. Гравитационные. Ответственны за все крупномасштабные, макроскопические явления. Дальнодействующие. гравитационная сила, с которой притягиваются друг к другу две частицы (илu два тела сферической формы), обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами и прямо пропорциональна произведению их масс: F гр = G m 1 m 2 /r 2 G = 6, Н м 2 /кг 2
Движение планет солнечной системы Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон
Неточность закона всемирного тяготения Солнце Меркурий Прецессия орбиты меркурия 43 за столетие О - центр эллипса; S и S1 - фокусы эллипса; АВ - его большая ось Ближайшая к Солнцу точка А называется перигелий, а наиболее удаленная от него точка В - афелий
2. Электромагнитные Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом, а также между электрически нейтральными составными частицами, части которых обладают зарядом. Переносится фотоном одноименные заряды отталкиваются, а разноименные - притягиваются Для статических зарядов электрическая постоянная
На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца 1 и 2 являются дальнодействующими (т.е. их действие заметно на больших расстояниях) 3. Сильные (цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие) участвуют кварки и глюоны, а также составленные из них элементарные частицы, называемые адронами. Действуют в масштабах атомных ядер и меньше, отвечая за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах Нуклон-нуклонная сила не является "чистой" силой притяжения. На расстояниях порядка см она становится силой отталкивания.
F N-N На расстояниях больше ~ см взаимодействия практически нет Отталкивание Притяжение 0 0,5 1,0 1,5 2,0 r, см
Квантовая хромодинамика - общепринятая теория сильных взаимодействий: В тех областях, где её численные предсказания надёжны, они хорошо согласуются с опытом. В ней на смену сотням «элементарных» кирпичиков материи (адронов) с запутанными «правилами игры» приходят 6 кварков с единственным дополнительным квантовым числом. КХД построена в согласии с общими требованиями квантовой теории поля. Есть надежда на то, что удастся объединить сильное взаимодействие с электрослабым
В современной теории электромагнитное и слабое – описываются с единых позиций и рассматриваются как одно электрослабое взаимодействие 4. Слабые - ответственны за протекание ядерных реакций Оно значительно сильнее гравитационного, но слабей сильного и электромагнитного Слабое взаимодействие существует между любыми парами элементарных частиц. Оно является единственным взаимодействием, существующим между электроном и нейтрино. 3 и 4 – короткодействующие. Заметны в масштабах атомных ядер.
Возникновение взаимодействия – обмен частицами переносчиками
Теория Великого объединения В современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. изотопическая симметрия унитарная SU(3) симметрия калибровочная симметрия Великое объединение – объединение электрослабого и сильного взаимодействия. При переходе к малым расстояниям (т.е. к высоким энергиям) увеличивается константа электрослабого взаимодействия и уменьшается константа сильного взаимодействия. Экстраполяция такой тенденции на сверхвысокие энергии приводит к равенству констант всех трех взаимодействий при некотором энергетическом масштабе.
В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теории струн, теории бран, а также перспективная М-теория.
Мировые константы Заряд электрона. е = 1, Кл Скорость света в вакууме. с= м/с. Гравитационная постоянная F = G M m/R 2. Где G=6,6710 –11 Нм 2 /кг 2. Постоянная Планка h=6,62610 –34 Джс. Вещество не может испускать энергию излучения иначе как конечными порциями, пропорциональными частоте этого излучения
Коэффициент Больцмана k = 1,3810 –23 Дж/К. Связывает температуру со средней кинетической энергией движения молекул в веществе Постоянная Стефана-Больцмана Полная энергия, излучаемая абсолютно черным телом в 1 секунду пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (закон Стефана - Больцмана) Постоянная Хаббла. h = 60 км/(сМпк). Эта постоянная определяет скорость расширения Вселенной Скорость удаления отдаленных объектов (галактик) должна возрастать с расстоянием до них. Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, и есть постоянная Хаббла σ = 5,710 –8 Вт/(мК 4 ).
Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей
Основные космические объекты 1. Звезды Звезда - раскалённый газовый шар Важнейшими параметрами звезды являются - размер, светимость, масса Температуры в центральных областях звёзд составляют от 10 млн. градусов для звёзд легче Солнца и до 30 млн. градусов для гигантских звёзд. Температура в центре Солнца - около 15 млн. градусов. Для большинства звёзд на долю водорода и гелия приходится не менее 98% массы.
Рождение звезд Звёзды образуются из космических газопылевых облаков. При сжатии под действием тяготения сгустка газа его внутренняя часть постепенно разогревается и уплотняется. Когда температура в центре достигнет примерно миллиона градусов, начинаются ядерные реакции - образуется звезда.
Гравитационное сжатие пылегазового облака
Рождение звезды из пылегазового облака
Источники звездной энергии 1.Большую часть своей жизни светят за счёт совершающихся в них преобразований четырёх ядер водорода (протонов) в одно ядро гелия. t=10-30млнºС
малые массы 0.08M sun
2. Горение гелия t= млн º К. Результат - получение углерода, кислорода и неона 3. Горение неона. 600 млн º К. Результат образование ядер магния и кремния + свободные нейтроны. Свободные нейтроны, вступая в реакцию с этими металлами, создают атомы более тяжёлых металлов - вплоть до урана. 4. Горение кислорода. t= ок 1,5 млрд º К. Два атома кислорода, соединяясь, порождают атом кремния и атом гелия. Атомы кремния, соединяясь попарно, образуют атомы никеля, которые вскоре превращаются в атомы железа 5. Распад тяжелых ядер. t= ок 2,5 млрд º К. Рождаются титан, ванадий, хром, железо, кобальт, цинк. Накопление ядер железа. 6. Гравитационное сжатие. t= ок 4,5 млрд º К. Железо гелий+нейтроны. Имплозия. Отрыв внешних оболочек от ядра. Сверхновая.
Главная последовательность
Типы звезд Строение звёзд зависит от массы. Коричневые карлики Это объект малой массы М*< 0.08sun, в которой никогда не загорится водород в ядре из-за малой температуры. Поверхностная температура около 1000 К. Желтые карлики Тип небольших звёзд, имеющих массу от 1 до 1,4 массы Солнца. Имеют жёлтый цвет, а основным источником энергии является термоядерный синтез гелия из водорода. Самым известным жёлтым карликом является Солнце
Солнце Солнце и подобные ему звёзды представляют собой промежуточный случай. У Солнца имеется маленькое конвективное ядро. Ядерные реакции горения водорода протекают как в ядре, так и в его окрестностях. Возраст Солнца примерно 4,5-5 млрд лет После исчерпания водорода Солнце может постепенно вырасти в красный гигант, сбросить чрезмерно расширившуюся оболочку и закончить свою жизнь, превратившись в белый карлик. Но это случится не раньше, чем через 5 млрд лет
Белые карлики Это ядра массивных звезд, в которых не протекают ядерные реакции. Постепенно остывают и гаснут. Температуры поверхности белых карликов меняются от 5000 К у "холодных" звёзд до К у "горячих". Диаметр белого карлика определяется его массой. Чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус; минимально возможный радиус составляет км. Красный гигант, расширившийся настолько, что потерял свои внешние слои, превращается в белого карлика c типичной для звезд массой и размерами, типичными для планет..
Красные карлики Красные карлики в десять раз меньше Солнца по размерам
Голубые гиганты Звезда в неск. раз массивней Солнца. Самые горячие звезды. Масса измеряется в пределах солнечных масс Максимальный радиус в пределах 25 солнечных радиусов В ее центре конвективное ядро – источник энергии Они имеют относительно короткую продолжительность жизни миллионов лет и присутствуют только в молодых космических структурах. Постепенно превращаются в красные гиганты
Красный гигант Это холодные (T~ К), большие звезды ( Rsun), с высокой светимостью (L~ Lsun). Имеют маленькое инертное ядро, состоящее из гелия, слоевой источник, вокруг ядра, в котором горит водород и очень протяженную конвективную зону.
Планетарные туманности Планетарная туманность является сброшенными верхними слоями гиганта
Планетарная туманность
Серхновые звезды Химическая структура сверхгиганта перед взрывом сверхновой
Происходит «взрыв внутрь», отрывающий ядро звезды от её внешних слоёв. Он должен произойти за считанные секунды. В течение секунды кинетическая энергия звезды превращается в тепловую, и вещество оболочки нагревается. Лёгкие элементы - в основном кислород - проявляют взрывную неустойчивость и начинают взаимодействовать. Энергия срывает со звезды её наружные слои и выбрасывает их в космическое пространство со скоростью, достигающей нескольких тысяч километров в секунду.
Черные дыры Черная дыра - область в пространстве, возникшая в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть Горизонт событий - поверхность со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти Гравитационный радиус - это размер массы, при сжатии до которого сила тяжести на ее поверхности устремиться к бесконечности. Является границей черной дыры. Сингулярность – точка, где достигаются бесконечно большие значения плотности вещества и тяготения
У сферической черной дыры массы M горизонт событий образует сферу с окружностью по экватору в 2π раз большей «гравитационного радиуса» черной дыры RG = 2GM/c 2, где c – скорость света, а G – постоянная тяготения. Черная дыра с массой 3 солнечных имеет гравитационный радиус 8,8 км. Приливные гравитационные силы – изменяются на большие значения при небольших изменениях расстояния до центра тяготения.
Искривление пространства черной дырой
Галактики
Структура галактик Эллиптические (E). Выглядят как сфера или эллипсоид, диск в них практически полностью отсутствует. Линзовидные галактики (S0) - это промежуточный тип между спиральными и эллиптическими. У них есть гало и диск, но нет спиральных рукавов. Спиральные галактики (S) - В них имеется гало и массивный звездный диск. Центральная часть диска, которая видна как вздутие, называется балджем. Темная полоса, идущая вдоль диска – непрозрачный слой межзвездной среды, межзвездная пыль. Неправильные галактики (Ir) (irregular) Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации.
Гало Диск Балдж-ядро корона
М-100
1929 г открытие взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимой части Вселенной. Вывод - Вселенная нестационарна. Экстраполируя разбегание галактик назад, очевидно, что когда-то они все были собраны в одной точке. Большой взрыв – нарушение сингулярности. След Большого взрыва – реликтовое излучение. При определенных условиях наша Вселенная должна возвращаться к своей исходной точке - сингулярности, а потом опять совершить цикл расширения, завершая его новым возвращением к исходному своему состоянию. Это модель "пульсирующей Вселенной" Современные представления о возникновении и возрасте Вселенной
Проблемы космологии В сингулярности полностью отсутствует пространство и время. Физические законы неприменимы. Не описывается происхождение сингулярности Не описана причина Большого взрыва.