Пространство, время, движение
Сущность пространства и времени. Механическая форма движения материи. Релятивисткая концепция механического движения. Понятие об общей теории относительности. Масштабы пространства, времени. Современные представления о структуре и эволюции Вселенной.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 09.12.2018 |
| Размер файла | 63,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Пространство, время, движение
1. Пространство и время
пространство время релятивистский
С точки зрения материалистической науки материя, пространство, время и движение неотделимы друг от друга.
Материя - объективная реальность, существующая вне и независимо от нашего сознания, данная нам в ощущениях (получаемых с помощью органов чувств и их «продолжений» - приборов) - существует в движении, которое происходит в пространстве и во времени. Движение, пространство, время - неразрывные формы существования материи. Тем не менее в рамках классической концепции каждая из этих категорий рассматривается отдельно и имеет свои свойства
Пространство - характеризует относительное расположение и «протяженность» объектов. Классическая механика характеризует его следующими свойствами: однородность (все его точки эквивалентны); непрерывность (между двумя любыми сколь угодно близкими точками можно поместить третью); изотропность (все направления в пространстве эквивалентны); трехмерность; евклидовость (в основе его описания лежит геометрия Евклида).
Время - характеризует «длительность» и последовательность событий. Время однородно, непрерывно, одномерно, последовательно, анизотропно (существует строгая направленность, «стрела» времени, прошлое и будущее абсолютны).
Положение объекта в пространстве и во времени описывается четырьмя координатами - тремя пространственными и одной временной. Однако, пространство и время не образуют единого целого, каждое отдельная категория, причем абсолютная, т.е. не зависящая от системы отсчета. Абсолютность пространственных и временных интервалов - одно из основополагающих положений классической механики.
2. Механическая форма движения материи. Основы классической механики
Движение - основное свойство материи, включающее в себя любое изменение.
Рассматривают различные формы движения: физические, биологические, социальные и др. Носителями их являются различные материальные образования. Простейшая форма - механическое движение - свойственна любым материальным объектам. Это - изменение положения в пространстве с течением времени.
Изучение механического движения осуществляется на основе двух подходов: кинематического (кинематики), описывающего движение без анализа причин его вызывающих, и динамического (динамики), исследующей причины данного вида движения.
Основные кинематические характеристики движения некоторой точки: радиус-вектор () - вектор, определяющий положение объекта (материальной точки) в системе координат (рис. 1):
; (1)
перемещение - изменение радиуса-вектора ();
скорость - векторная величина, мера быстроты движения, численно равная производной от радиуса-вектора по времени:
; (2)
ускорение - векторная величина, мера быстроты изменения скорости, в простейшем случае равная отношению изменения скорости ко времени изменения:
; (3)
Фундаментальным свойством движения является его относительность. Она выражается в том, что для его параметры зависят от выбора системы отсчета: связанной с телом отсчета системы координат и выбранного способа измерения времени. Таким образом, положение объекта (координаты), скорость, вид траектории зависят от того, в какой системе отсчета они рассматриваются. Согласно сформулированному Галилеем принципу инерции существуют системы отсчета, в которых тела движутся без ускорения (равномерно и прямолинейно) при отсутствии действия других тел. Такие системы отсчета называются инерциальными. Начало координат этих систем связано с телом, свободным от действия других тел. Инерциальные системы отсчета - идеализация. Если масштаб движения намного меньше размеров Земли, геоцентрическая система может считаться инерциальной. С большим основанием таковой считается гелиоцентрическая система отсчета, еще ближе к инерциальной система, связанная с удаленными звездами. Для инерциальных систем отсчета справедлив принцип относительности Галилея: никакими механическими опытами, производящимися в какой-либо инерциальной системе отсчета, нельзя определить, покоится ли данная система или движется равномерно и прямолинейно. Другими словами, все инерциальные системы отсчета в отношении механических явлений физически равноправны, законы механики в них имеют одинаковую форму (абсолютны).
Относительность скорости обусловливает классический закон сложения скоростей (при переходе из одной системы отсчета в другую): скорость тела в любой системе отсчета определяется векторной суммой скоростей:
; (4)
здесь - скорость тела в одной системе отсчета (покоящейся), - скорость в другой системе (движущейся), - скорость движущейся системы относительно покоящейся.
Динамическое описание выявляет причину изменения механического движения - взаимодействие тел, которое количественно измеряется вектором силы . Подробнее о взаимодействии речь пойдет ниже. Другие важнейшие динамические характеристики, определяющие механическое движение: масса m - скалярная величина, мера инертности тел (инертность - способность препятствовать изменению скорости); импульс - векторная величина, мера механического движения, численно равная произведению массы и скорости:
. (5)
Импульс характеризует состояние механического движения тела в данный момент времени, положение тела в выбранной системе отсчета задается координатами. Эти параметры полностью определяют механическое состояние объекта.
Динамические и кинематические параметры движения связаны между собой. Эта связь представляет собой основные законы движения, сформулированные Ньютоном и составляющие суть классической механики.
I закон Ньютона представляет собой принцип инерции Галилея: если на тело не действует сила, то оно находится в покое или в состоянии прямолинейного равномерного движения.
II закон Ньютона: ускорение тела, приобретаемое при взаимодействии с другими телами, определяется отношением равнодействующей сил к массе.
(6)
(здесь - равнодействующая сил)
III закон Ньтона: два тела действуют друг на друга силами одной природы, равными по величине и противоположными по направлению.
Классическая механика продемонстрировала единство законов движения «земных» и «небесных» объектов, что особенно отчетливо проявляет закон всемирного тяготения, описывающий гравитационное взаимодействие и занимающий одно из важнейших мест в ньютоновской механической картине мира: два точечных объекта притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам (m1 и m2) и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между ними
. (7)
Здесь G - универсальная константа, называемая гравитационной постоянной, G= 6,67?10-11 м3/кг?с2.
Всемирное тяготение - основное взаимодействие в масштабах бесконечной Вселенной, управляющее ее движением. Масса тел определяет их способности притягивать и притягиваться. Эта масса называется гравитационной. Численно она равна инертной массе, определяющей ускорение в соответствии со II-ым законом Ньютона (6).
В инерциальных системах отсчета силы и ускорения - абсолютны, а связь их не зависит от выбора системы отсчета, что определяется принципом относительности Галилея.
Следует отметить, что законы Ньютона инвариантны относительно изменения знака времени, т.е. в них физически не отрицается обратный ход времени, не выявляется его необратимость.
Механика Ньютона позволяет однозначно описать механическое состояние системы в любой момент времени по известным начальным параметрам и условиям движения: восстановить прошлое состояние и предсказать будущее. Эта теория - основа детерминизма, предложенного Лапласом (1749 - 1827) в качестве главного принципа устройства мира - принципа, распространяемого на все явления (физические, биологические, социальные, космологические): у любого явления есть причина, которая однозначно определяет следствие, следовательно, в природе нет места случайности.
3. Релятивистская концепция механического движения. Представления специальной теории относительности
Ограниченность классической механики; постулаты специальной (частной) теории относительности Эйнштейна
В конце девятнадцатого столетия классическая физика встретилась с серьезными трудностями. Ньютоновская механика подтверждалась многими экспериментами. Была также экспериментально установлена независимость скорости света в вакууме, регистрируемой наблюдателем (с = 3х108 м/с), от скорости движения наблюдателя т.е. ее абсолютность. Результаты этих экспериментов не укладывались в рамки классического закона сложения скоростей (2.4).
В 1905 г. Альберт Эйнштейн, один из самых выдающихся ученых нашего столетия, реформатор естествознания, разработал новую теорию движения - специальную теорию относительности (релятивистскую механику), которая перебросила мост между механикой и электромагнетизмом и связала воедино обе великие теории классической физики. Эйнштейн отказался от прежней трактовки пространства и времени как совершенно независимых категорий. С его точки зрения пространственные и временная координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерный пространственно-временной континуум.
В основе специальной теории относительности лежат два постулата:
- принцип относительности (Эйнштейна): в одинаковых условиях во всех инерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково (это положение является обобщением принципа относительности Галилея) т.е. законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета;
принцип абсолютности скорости света: скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей. На основе этих принципов были пересмотрены устоявшиеся представления о характеристиках механического движения.
Следствия постулатов специальной теории относительности
Из постулатов специальной теории относительности следует:
- скорость света в вакууме (с=3?108м/с) - предельная скорость движения материи; никакое материальное тело ни в одной системе отсчета не может иметь скорости, большей скорости света в вакууме, никакой энергетический сигнал не может быть передан с большей скоростью;
- изменение системы отсчета приводит к изменениям координат, причем все координаты, включая время (!), относительны;
- пространственные интервалы относительны: измерение длины предмета наблюдателем, движущимся относительно него со скоростью , дает меньшее значение , чем измерение той же длины неподвижным наблюдателем («собственной» длины), т.е. происходит сокращение длины:
, (8)
следует подчеркнуть, что сокращается размер («сжимается» пространство) вдоль направления относительного движения; поперечные размеры не меняются;
- временные интервалы относительны: наблюдатель, движущийся относительно часов, показывающих интервал времени между двумя событиями Дt', может установить, что они идут медленнее таких же часов, находящихся в его системе отсчета и показывающих интервал Дt, т.е. имеет место эффект «замедления» времени:
, (9)
даже последовательность событий во времени с точки зрения двух наблюдателей зависит от относительной скорости их движения, если между явлениями нет причинно-следственной связи (никакой наблюдатель не может зарегистрировать следствие раньше причины);
- скорости относительны, однако закон сложения скоростей имеет другой вид и никогда не приведет к результату ;
- пространственно-временнные интервалы абсолютны, не зависят от системы отсчета; Эйнштейн рассмотрел единое 4-х-мерное пространство-время, математическая модель которого разработана Германом Минковским (1864 - 1909). В этой модели каждое событие описывается координатами x, y, z, ict (i = v-1); четвертая координата, определяющая момент времени, умножением на скорость с приобретает ту же размерность, что и другие координаты, но в трехмерном пространстве она мнимая. По аналогии с трехмерным интервалом, который определяется соотношением:
, (9)
четырехмерный интервал вычисляется:
(10)
и абсолютен:
; (2.11)
- масса относительна: масса тела зависит от скорости; тело, движущееся относительно наблюдателя, имеет массу (релятивистскую) m больше, чем то же тело покоящееся (масса покоя - m0):
; (12)
полная энергия тела в отсутствии внешних полей равна сумме его энергии покоя m0с2 и кинетической энергии и определяется произведением релятивистской массы тела (m) и квадрата скорости света в вакууме (с):
; (13)
- сила относительна: при движении системы отсчета появляется дополнительная составляющая силы, перпендикулярная скорости движения; при движении заряда эта составляющая обеспечивает магнитную силу, таким образом, магнетизм - релятивистский эффект;
- основной закон движения един для различных инерциальных систем отсчета и абсолютен.
На первый взгляд, многие описанные следствия кажутся искусственными, не соответствующими здравому смыслу. Однако они нашли экспериментальное подтверждение. Эти эффекты (замедление времени, увеличение массы и т.д.) становятся заметными лишь при скоростях, близких к скорости света. Эксперименты с элементарными частицами с помощью мощных ускорителей показали, что с ростом скорости масса их действительно растет, а время «жизни» (до распада) - увеличивается. В нашем мире малых скоростей, сформировавшем и наше мышление, подобные эффекты не обнаруживаются, и эксперименты подтверждают полную справедливость классической механики. Здесь нет противоречия. Новая, релятивистская теория, имеющая более широкую область применения, включает в себя классическую теорию как частный случай, реализуемый при условии
. (14)
Таким образом, взаимосвязь этих двух теорий движения полностью удовлетворяет принципу соответствия, сформулированному в гл. I.
4. Понятие об общей теории относительности. Влияние гравитации на пространство и время
Специальная теория ограничивается рассмотрением инерциальных систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Произвольные системы отсчета, которые могут двигаться с ускорением, изучаются общей теорией относительности. По сути, она является теорией гравитации. Широкий круг явлений, предсказанный специальной теорией, прошел экспериментальную проверку и получил подтверждение. Экспериментальная проверка общей теории продвинулась гораздо меньше, к настоящему времени ни один из предсказываемых ею нескольких эффектов окончательно не подтвержден. И все же эта теория поднимает столь глубокие вопросы, что безусловно заслуживает серьезного внимания.
Общая теория относительности разработана Эйнштейном в 1911 -1916 гг. В ее основе лежат два положения. Первое распространяет принцип относительности Эйнштейна на любые системы отсчета, т.е. и на неинерциальные (движущиеся ускоренно). Оно гласит: все физические законы можно сформулировать так, что они окажутся справедливыми для любого наблюдателя, сколь сложное движение он ни совершает. Математическое выражение законов может усложниться. Но смысл останется без изменения.
Второе положение называется принципом эквивалентности. Гравитация (всемирное тяготение) обусловливает ускоренное движение тел, причем все тела в данной точке гравитационного поля имеют одинаковое ускорение. В неинерциальной системе отсчета, движущейся вне поля тяготения с ускорением относительно инерциальной, все тела тоже будут иметь одинаковое ускорение (относительно инерциальной системы отсчета), противоположное ускорению системы, т.е. силу тяготения можно «создать» или «уничтожить» переходом в неинерциальную систему отсчета (движущуюся с ускорением). Принцип эквивалентности гласит: не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы отличить действие гравитационного поля в сравнительно малом объеме пространства от действия ускоренного движения по отношению к «неподвижным» звездам (инерциальной системе отсчета). Принцип эквивалентности требует равенства двух масс тела: инертной и гравитационной. Эксперименты доказывают справедливость этого равенства с точностью до 10-11.
Наличие гравитации связано с распределением массы в пространстве. Следствиями этого является «искривление» пространства-времени в гравитационном поле. В отсутствии гравитации, т.е. в инерциальных системах отсчета, пространство-время однородно и эвклидово т.е. геометрические свойства пространства описываются геометрией Евклида (кратчайшее расстояние между двумя точками - отрезок прямой линии). В условиях гравитации (распределения массы с некоторой плотностью) пространство-время приобретает «кривизну», которая изменяет его свойства по сравнению со свойствами евклидового пространства: искривляются «прямолинейные» траектории, лучи света. В таком пространстве в принципе не существует прямых линий. Самый «прямолинейный» объект - свет движется по кривой. Линии движения света называются геодезическими. Если геодезические линии замкнуты - пространство «выпуклое», если параболические - пространство «вогнутое». В любом случае геометрия этого пространства - неевклидовая. Геометрия искривленных пространств была разработана Бойьяи (1802 - 1860), Гауссом (1777 - 1855), Лобачевским (1792 - 1856), Риманом 1826 - 1866) и другими учеными задолго до появления теории относительности. В общей тории относительности Эйнштейна предполагается, что распределение массы в пространстве - равномерное, т.е. плотность во всех точках одинакова. Тогда ускорение, обусловленное гравитацией, также одинаково во всех точках, следовательно, одинаков радиус кривизны всех геодезических линий (в любой точке), т.е. эти геодезические линии - окружности, и пространство замкнуто. Представить себе беспредельное искривленное трехмерное пространство с конечным радиусом кривизны невозможно. Но можно теоретически доказать вероятность его существования на основе следующей экстраполяции. Рассмотрим окружность - замкнутое одномерное пространство с определенным радиусом кривизны. В таком пространстве существует одна мировая линия. Наблюдатель, движущийся по ней, никогда не достигнет никакого передела, движение беспредельное, хотя радиус кривизны и размер пространства (длина окружности) конечны, при этом радиальные движения невозможны. Теперь перейдем к поверхности сферы определенного радиуса. Это уже двумерное искривленное пространство. Мировые линии здесь - любые окружности на поверхности сферы. Их бесконечное множество, и все они замкнуты и тоже имеют радиусы, не превосходящие максимальный - радиус кривизны сферы. Наблюдатель, способный двигаться только по поверхности, также воспринимает это пространство как беспредельное, но размер его -площадь поверхности сферы - конечен. Аналогично проявляется трехмерное искривленное пространство. Мировые линии в нем - тоже окружности. Их бесконечное множество, но радиус кривизны пространства и объем конечны. Радиальные движения невозможны. Поэтому наше пространство - Вселенная для нас безгранична, хотя, возможно, и имеет конечный размер, что будет обсуждаться ниже. Такая модель требует указания величины радиуса кривизны Вселенной. Он оценен и составляет на сегодняшний день 1026 м.
Как уже указывалось, экспериментальное обоснование общей теории относительности на сегодняшний день менее надежное по сравнению с обоснованием специальной теории относительности. Однако эффект искривления световых лучей экспериментально наблюдался. Следует ожидать, что с совершенствованием экспериментальных методик появится возможность получения других достоверных данных.
5. Масштабы пространства, времени
При выяснении сущности понятий «пространство», «время», «материя» естественно возникает вопрос об их измерении, предельных размерах или, наоборот, минимальных «порциях» - квантах, если таковые существуют. Представление о пространственных, временных диапазонах и массах различных объектов дают три масштабные оси, представленные на вкладыше. Для более полной информации приведены масштабы массы объектов
Из рисунка видно, что во Вселенной наблюдаются объекты различных размеров. Самый большой - наша Вселенная, размер которой сегодня достигает 1026 м, (об изменении размеров Вселенной в процессе эволюции речь пойдет дальше). Если представить Землю уменьшенной до величины атома, расстояние 1025 м сожмется до размеров лунной орбиты. В космических масштабах измерять расстояния в метрах неудобно. Используются единицы: световой год (расстояние, которое свет проходит за год), равный 9,5?1015 м; парсек (пс), равный 3,26 светового года или 4?1016 м; астрономическая единица (а.е.) радиус земной орбиты, равный 1,5?1011 м. Размеры объектов микромира устанавливаются с помощью мощных ускорителей. Удалось установить не только размер ядра атома водорода, т.е. протона - 1,2?10-15 м, но и достичь пространственных интервалов в тысячу раз меньше. Для этого сталкивают два пучка частиц высоких энергий, относительная скорость которых так велика, что «размытие» их траекторий из-за волновых свойств меньше 10-18 м. Возможны ли меньшие интервалы? Существуют модели, в которых рассматривается предельно малый размер 10-35 м. За этим пределом научное описание, основанное на известных физических законах, невозможно. Именно с этого размера - сингулярного состояния - по современным представлениям начиналась эволюция нашей Вселенной. С этим минимальным пространственным интервалом связан и минимальный интервал времени 10-43 с - интервал, который затрачивает свет на прохождение расстояния 10-35 м. Это время существования Вселенной в сингулярном состоянии. С Вселенной связан и самый больший промежуток времени - ее возраст ~1018 с, или около 20 млрд. лет, - и самая большая масса - масса видимого вещества 10 51 кг.
В целом по пространственным масштабам и особенностям свойств материи принято выделять три области:
микромир - от 10-35 м до 10 -10 м (размер атома);
макромир - от 10-10 м до 10 13 м (радиус орбиты Плутона - последней планеты Солнечной системы);
мегамир - от 10 13 м до 10 26 м.
6. Современные представления о структуре и эволюции Вселенной
Современные методы астрономических исследований
В XX в. радикально изменилась древнейшая наука - астрономия. Это связано, как с появлением её новой теоретической основы - релятивистской и квантовой механики, так и с расширением возможностей экспериментальных исследований.
Общая теория относительности стала одной из основополагающих теорий космологии, а создание квантовой механики дало возможность изучать не только механическое движение космических тел, но и их физические и химические характеристики. Получили развитие звездная и внегалактическая астрономия. Астрономия стала всеволновой, т.е. астрономические наблюдения проводятся на всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения (радио, инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-излучение). Ее экспериментальные возможности существенно возросли с появлением космических аппаратов, позволяющих проводить наблюдения за пределами земной атмосферы, поглощающей излучение. Все это привело к значительному расширению наблюдаемой области Вселенной и открытию целого ряда необычных (а часто и необъяснимых) явлений.
Основной инструмент астрономических исследований - телескоп, другие приборы, например спектроскопические, исследуют излучение, собираемое телескопом. Сейчас лишь малая часть астрономических работ осуществляется визуально, в основном исследования проводятся с помощью фотокамер и других регистрирующих излучение приборов. Появились радиотелескопы, позволяющие изучать радиоизлучение всевозможных объектов Солнечной системы, нашей и других галактик. Радиоастрономия чрезвычайно расширила знания о Вселенной и привела к открытию пульсаров (нейтронных звезд), квазаров - внегалактических объектов, являющихся самыми мощными из известных источников излучения, позволила получить информацию о наиболее удаленных областях Вселенной, обнаружить изотропное «реликтовое» излучение. Все это - важнейшие открытия ХХ в. Дополнительную информацию дают и исследования в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и - диапазонах, но эти излучения сильно поглощаются атмосферой, и соответствующая аппаратура устанавливается на спутниках. К выдающимся открытиям ХХ в. относится и обнаруженное в 1929 г. американским астрономом Эдвином Хабблом (1889 - 1953) увеличение длины волны, соответствующей линиям в спектрах удаленных галактик («красное смещение»), которое свидетельствует о взаимном удалении космических объектов, т.е. о расширении Вселенной.
Структура Вселенной
Солнечная система. Солнечная система - космический дом человечества. Солнце - источник тепла и света, источник жизни на Земле. Солнечная система - взаимосвязанная совокупность звезды - Солнца и множества небесных тел, к которым относятся девять планет, десятки их спутников, сотни комет, тысячи астероидов и др. Все эти разнообразные тела объединены в одну устойчивую систему благодаря силе гравитационного притяжения центрального тела - Солнца.
Солнце - плазменный шар, состоящий в основном из водорода и гелия, находящийся в состоянии дифференцированного вращения вокруг своей оси. Наибольшая скорость вращения в экваториальной плоскости - один оборот за 25,4 суток. Источником солнечной энергии, скорее всего, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, протекающие во внутренних областях солнца, где температура достигает 107 К. Температура поверхностных частей 6000 К. Поверхность Солнца не является гладкой, на ней наблюдаются гранулы, обусловленные конвективными газовыми потоками, возникают и исчезают «пятна», вихри. Взрывные процессы на Солнце, солнечные вспышки, периодически возникающие на его поверхности пятна, могут служить мерой активности Солнца. Исследования показали, что цикл максимальной активности Солнца регулярен и составляет приблизительно 11 лет. Пятна и вспышки на Солнце - наиболее заметные проявления магнитной активности Солнца. Связь между солнечной активностью и процессами на Земле отмечалась еще XIX веке, а в настоящее время имеется огромный статистический материал, подтверждающий влияние активности Солнца на земные процессы.
Разработанная в XVII - XVIII вв. теоретическая основа классической астрономии - классическая механика позволяет прекрасно описать движение связанных гравитационным взаимодействием тел Солнечной системы, но не дает ответа на вопрос о ее происхождении. Планеты солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон, за исключением последней движутся вокруг Солнца в одном направлении в единой плоскости по эллиптическим орбитам. Планеты, как и их спутники, не являются самосветящимися телами и видны только потому, что освещены Солнцем. С 1962 г. планеты и их спутники исследуются не только с Земли, но и с космических станций. В настоящее время накоплен обширный фактический материал об особенностях физических и химических свойств поверхности планет, их атмосферы, магнитном поле, периодах вращения вокруг оси и Солнца. По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и планеты земной группы (Меркурий, Земля, Венера, Марс). Орбита наиболее удаленной от Солнца планеты - Плутона, размер которого меньше размера спутника Земли - Луны, определяет размер Солнечной системы 1,2?1013м.
Солнечная система, являясь частью нашей галактики, как целое движется вокруг ее оси со скоростью 250 м/с, делая полный оборот за 225 млн. лет. Согласно современным представлениям формирование современной структуры Солнечной системы началась с бесформенной газопылевой туманности (облака). Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго ( или более позднего) поколения, т.к. кроме обычных для звезд водорода и гелия содержит и тяжелые элементы. Элементный состав Солнечной системы характерен для эволюции звезд. Под действием гравитационных сил облако сжималось так, что самая плотная его часть находилась в центре, где сосредоточена основная масса вещества первичной туманности. Там возникло Солнце, в недрах которого затем начались термоядерные реакции превращения водорода в гелий, являющиеся основным источником энергии солнца. По мере увеличения светимости Солнца газовое облако становилось все менее однородным, в нем появились сгущения - протопланеты. С ростом размеров и массы протопланет их гравитационное притяжение усиливалось, таким образом сформировались планеты. Остальные небесные тела образованы остатками вещества исходной туманности. Итак, примерно 4,5 5 млрд лет назад Солнечная система окончательно сформировалась в сохранившемся до нас виде. Вероятно, еще через 5 млрд лет Солнце истощит запасы водорода, и его структура начнет изменяться, что приведет к постепенному разрушению нашей Солнечной системы.
Хотя современные представления о происхождении Солнечной системы остаются на уровне гипотез, они согласуются с идеями закономерной структурной самоорганизации Вселенной в условиях сильнонеравновесного состояния.
Звезды. Галактики. Солнце - песчинка в мире звезд. Звезда - основная структурная единица мегамира. Стационарная звезда представляет собой высокотемпературный плазменный шар в состоянии динамического гидростатического равновесия. Она является тонко сбалансированной саморегулирующейся системой. В отличие от других небесных тел, например планет, звезды излучают энергию. Энергия, генерируемая в них ядерными процессами, приводит к возникновению в недрах звезд атомов химических элементов тяжелее водорода и является источником света. Звезды - природные термоядерные реакторы, в которых происходит химическая эволюция вещества. Они сильно различаются по своим физическим свойствам и химическому составу. Наблюдаются разные типы звезд, которые соответствуют разным этапам их эволюции. Эволюционный путь звезды определяется её массой, которая меняется в основном в пределах от 0,1 до 10 масс Солнца. Звезды рождаются, изменяются и гибнут. При массе, меньшей 1,4 солнечной, звезда, пройдя стадию красного гиганта, превращается сначала в белого карлика, затем - в черного карлика, холодную мертвую звезду, размер которой сравним с размером Земли, а масса - не более солнечной. Более массивные звезды на завершающем этапе эволюции испытывают гравитационный коллапс - неограниченное стягивание вещества к центру и могут вспыхнуть как сверхновые с выбросом значительной части вещества в окружающее пространство в виде газовых туманностей и превращением оставшейся части в сверхплотные нейтронную звезду или черную дыру.
Звезды образуют галактики гигантские гравитационно связанные системы. Наша Галактика, в которую входит Солнце, называется Млечный путь и насчитывает 1011 звезд. Галактики разнообразны по размерам и по форме. По внешнему виду выделяют три типа галактик - эллиптические, спиральные и неправильные. Наиболее распространенными являются спиральные, к ним относится и Наша Галактика. Она представляет собой уплощенный диск с диаметром ~ 105 световых лет с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава. Галактика вращается, причем быстрота вращения зависит от расстояния до ее центра. Солнечная система находится на расстоянии приблизительно 30 000 световых лет от центра галактического диска.
С Земли невооруженным глазом можно наблюдать три галактики - Туманность Андромеды (из Северного полушария) и Большое и Малое Магеллановы облака (из Южного). Всего же астрономы обнаружили около ста миллионов галактик.
Помимо миллиардов звезд галактики содержат вещество в виде межзвездного газа (водород, гелий) и пыли. Плотные газово-пылевые облака скрывают от нас центр нашей Галактики, поэтому о его структуре можно судить только предположительно. Кроме того, в межзвездном пространстве существуют потоки нейтрино и электрически заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей, а также поля (гравитационные, электромагнитные). Следует отметить, что, хотя количество молекул органических соединений в межзвездном веществе невелико, их присутствие является принципиально важным. Например, теория абиогенного происхождения жизни на Земле опирается на участие в этом процессе молекул органических веществ, электромагнитного излучения и космических лучей. Чаще всего органические молекулы встречаются в местах максимальной концентрации газопылевого вещества.
В конце 70-х годов нашего века астрономы обнаружили, что галактики во Вселенной распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Таким образом, в небольших масштабах вещество распределено очень неравномерно, но в крупномасштабной структуре Вселенной не существует каких-либо особых мест или направлений, поэтому в больших масштабах Вселенную можно считать не только однородной, но и изотропной.
Метагалактика. Мы вкратце рассмотрели структурные уровни организации вещества в мегамире. Есть ли верхняя граница в возможности наблюдения Вселенной? Современная наука отвечает на этот вопрос утвердительно. Существует принципиальное ограничение размеров наблюдаемой части Вселенной, связанное не с экспериментальными возможностями, а с конечностью её возраста и скорости света.
Космология на основе общей теории относительности Эйнштейна и закона Хаббла(см. ниже) определяет возраст Вселенной Твс 15-20 млрд лет (1018с). Никаких структурных единиц до этого не существовало. Введем понятие космологического горизонта, отделяющего те объекты от которых свет за время t<Твс до нас дойти не может. Расстояние до него
, (2.14)
где с - скорость света в вакууме, Твс - возраст Вселенной.
Космологический горизонт образует границу принципиально наблюдаемой части Вселенной - Метагалактики. Если принять, что возраст Вселенной 1018 с, то размер Метагалактики имеет порядок 1026м, причем космологический горизонт непрерывно удаляется от нас со скоростью 3?108 м/с.
Важное свойство Метагалактики в современном состоянии - её однородность и изотропность, т.е. свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики и по всем направлениям. Одно из важнейших свойств Метагалактики - её постоянное расширение, «разлет» галактик. Американский астроном Э. Хаббл установил закон, согласно которому чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они удаляются.
Расширяющаяся Вселенная - это Вселенная изменяющаяся. А значит, у неё есть своя история и эволюция. Эволюция Вселенной как целого изучается космологией, которая в настоящее время дает описание и первых мгновений её возникновения и возможных путей развития в будущем.
7.Космологические модели Вселенной
Модели стационарной Вселенной. Уникальность Вселенной не позволяет провести экспериментальную проверку выдвигаемых гипотез и поднять их до уровня теорий, поэтому эволюция Вселенной может рассматриваться только в рамках моделей.
После создания классической механики научная картина мира основывалась на ньютоновских представлениях о пространстве, времени и гравитации и описывала неизменную во времени, т.е. стационарную, бесконечную Вселенную, созданную Творцом.
В XX в. появились новые теоретические основы для создания новых космологических моделей.
Прежде всего надо упомянуть космологический постулат, согласно которому устанавливаемые в ограниченной части Вселенной физические законы справедливы и для всей Вселенной. Кроме того, считается аксиомой однородность и изотропность крупномасштабного распределения вещества во Вселенной. При этом модель эволюции должна соответствовать так называемому антропному принципу, т.е. предусматривать возможность появления на определенном этапе эволюции наблюдателя (разумного человека).
Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс и на больших расстояниях, теоретическим ядром космологии ХХ в. стала релятивистская теория гравитации и пространства-времени - общая теория относительности. Согласно данной теории распределение и движение материи определяют геометрические свойства пространства-времени и в то же время сами зависят от них. Гравитационное поле проявляется как «искривление» пространства-времени. В первой космологической модели Эйнштейна, созданной на основе общей теории относительности в 1916 г., Вселенная также стационарна. Она безгранична, но замкнута и имеет конечные размеры. Пространство замыкается само на себя.
Фридмановские модели нестационарной Вселенной. Эйнштейновская модель стационарной Вселенной была опровергнута в работах русского ученого А.А. Фридмана (1888 - 1925) , который в 1922 г. показал, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно либо расширяться, либо сжиматься. Возможны три различных модели изменения радиуса кривизны Вселенной, зависящие от средней плотности вещества в ней, причем в двух из них Вселенная бесконечно расширяется, а в третьей - радиус кривизны периодически изменяется (Вселенная пульсирует).
Хотя открытие Э. Хабблом закона зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них подтвердило расширение Вселенной, в настоящее время сравнение экспериментально оцененной плотности вещества с критическим значением данного параметра, определяющим переход от расширения к пульсации, не дает возможности однозначно выбрать сценарий дальнейшей эволюции. Эти две величины оказались близки, а экспериментальные данные - недостаточно надежны.
Расширение Вселенной в настоящее время является обоснованным и общепризнанным фактом, позволяющим оценить возраст Вселенной. В соответствии с наиболее распространенными оценками он составляет 1018с (18 млрд лет). Следовательно, современные модели предполагают «начало» Вселенной. Как же началась ее эволюция?
Модель горячей Вселенной. В основе современных представлений о начальных стадиях эволюции Вселенной лежит модель «горячей Вселенной», или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в 40-х годах XX в. российским ученым, работавшим в США, Г.А. Гаммовым (1904 - 1968). В простейшем варианте данной модели представляется, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из сверхплотного и сверхгорячего состояния с бесконечной кривизной пространства (состояния сингулярности). «Горячесть» начального сингулярного состояния характеризуется преобладанием в нем электромагнитного излучения над веществом. Это подтверждается экспериментально обнаруженным в 1965 году американскими астрофизиками Пензиасом (г. р. 1933) и Вильсоном (г. р. 1936) изотропным электромагнитным «реликтовым излучением». Современные физические теории позволяют описать эволюцию материи начиная с момента времени t = 10-43c. Самые начальные моменты эволюции Вселенной пока находятся за физическим барьером. Только начиная с момента t = 10-10 c после Большого Взрыва наши представления о состоянии вещества в ранней Вселенной и происходящих в ней процессах могут быть проверены экспериментально и описаны теоретически.
По мере расширения Вселенной плотность вещества в ней уменьшается и температура падает. При этом происходят процессы качественных превращений частиц вещества. В момент 10-10с вещество состоит из свободных кварков, лептонов и фотонов (см. раздел III). По мере остывания Вселенной происходит образование адронов, затем возникают ядра легких элементов - изотопов водорода, гелия, лития. Синтез ядер гелия прекращается в момент t = 3 мин. Только через сотни тысяч лет ядра соединяются с электронами, и возникают атомы водорода и гелия, и с этого момента вещество перестает взаимодействовать с электромагнитным излучением. «Реликтовое» излучение возникло именно в этот период. Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше, чем в настоящую эпоху, из неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки, которые фрагментировались и привели к возникновению звезд и галактик.
Вопрос об исключительности Вселенной как объекта космологии остается открытым. Наряду с распространенной точкой зрения, что вся Вселенная - это наша Метагалактика, существует противоположное мнение, что Вселенная может состоять из множества метагалактик, а представление об уникальности Вселенной является исторически относительным, определяемым уровнем науки и практики.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Поле всемирного тяготения, гравитационное взаимодействие и постулаты общей теории относительности Эйнштейна - теории пространства, времени, материи, тяготения и движения. Идея построения материального мира из элементарных, фундаментальных "кирпичиков".
реферат [888,7 K], добавлен 07.01.2010Категории пространства и времени, анализ концепции их относительности. Инвариантность пространственных и временных интервалов как отражение свойств симметрии физического мира. Эволюционная теория относительности. Теория относительности А. Эйнштейна.
реферат [35,2 K], добавлен 11.07.2013Понятия пространства и времени являются философскими категориями и в этом смысле не определяются в естествознании. Для естественных же наук важно уметь определять их численные характеристики - расстояния между объектами и длительности процессов.
реферат [28,2 K], добавлен 05.06.2008Суть современных концепций относительности пространства и времени в специальной и общей теориях. Гиперхронологическое историческое пространство, ускорение исторического времени. Раскрытие понятий бифуркаций, фракталов, аттракторов, факторов случайности.
контрольная работа [466,4 K], добавлен 10.12.2009Изучение понятий пространства (реального, концептуального, перцептуального) и времени как форм существования материи. Ознакомление с принципом относительности Галилея, законами Ньютона, космологической теорией Бруно и координационной системой Декарта.
контрольная работа [28,0 K], добавлен 25.04.2010Ознакомление с уравнениями Максвелла, ньютоновскими законов и концепциями близкодействия Фарадея как с этапами развития общей теорий относительности Эйнштейна, объединяющей пространство и время. Изучение эволюции и структурной организации Вселенной.
реферат [845,0 K], добавлен 26.04.2010История развития общих представлений о структуре материи как философского понятия. Материя и движение время и пространство. Концепция атомизма в современной науке. Дискретность и непрерывность материи. Анализ обобщения всех понятий о материальном мире.
контрольная работа [27,8 K], добавлен 04.10.2011Фундаментальные факторы существования окружающей среды. Сущность понятия "пространство". Последовательность событий столкновения частиц. Вечность Пространства, материи, движения. Состояния множества частиц в Пространстве. Давление малых частиц на крупные.
реферат [43,3 K], добавлен 25.12.2010Естественнонаучная и гуманитарная культура. Дифференциация, интеграция и математизация в современной науке. Культурный уровень организации материи. Квантовомеханическая концепция описания микромира. Пространство и время в общей теории относительности.
курс лекций [47,9 K], добавлен 16.11.2009Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна. Основные закономерности развития биогеоценоза. Взаимодействие между компонентами как важнейший механизм поддержания целостности и устойчивости биогеоценозов.
контрольная работа [150,8 K], добавлен 13.04.2012Концепции времени и пространства, этапы их зарождения и развития, направления исследования на сегодня. Эксперимент Майкельсона-Морли. Принцип относительности Галилея. Относительность одновременности событий. Общая и специальная теория Эйнштейна.
контрольная работа [27,7 K], добавлен 10.03.2013Рассмотрение и изучение современных представлений о пространстве и времени. Эволюция базовых понятий пространства, Евклидова геометрия. "Декартовы координаты", положение в пространстве. История развития представлений о времени. Физическая теория времени.
реферат [27,1 K], добавлен 12.04.2009Общие представления о пространственных, временных и массовых характеристиках Вселенной. Свойства и развитие суждений о пространстве и времени по современным представлениям, математическое и экспериментальное обоснование их в рамках механики И. Ньютона.
контрольная работа [32,5 K], добавлен 13.07.2009Понятие времени и его измерение, взгляды ученых различных эпох на данный параметр. Четырехмерное пространство и время Вселенной. Возможности путешествий во времени и исследование данной темы на современном этапе. Соотношение черных дыр и времени.
реферат [16,9 K], добавлен 09.04.2011Основные черты и отличия науки от других отраслей культуры. Проблемы, решаемые отдельными естественными науками. Свойства пространства и времени. Главные выводы специальной и общей теории относительности. Естественнонаучные модели происхождения жизни.
контрольная работа [40,6 K], добавлен 18.11.2009Понятие эмпирического и теоретического уровней, их различие и методы. Развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период. Концепция абсолютного пространства и времени И. Ньютона. Понятие биоэтики. "Иерархия" потребностей человека.
контрольная работа [23,3 K], добавлен 27.01.2009Сущность донаучного, вненаучного (обыденного) и научного познания. Представления о материи, суть эффекта замедления времени в теории относительности. Формулировки второго начала термодинамики, понятие "химическая связь", этапы и проблемы антропогенеза.
контрольная работа [54,5 K], добавлен 05.02.2010Естествознание как особая форма знания, предмет методы ее изучения, история становления и развития в человеческой культуре. Принцип относительности, соотношение пространства и времени. Принципы возрастания энергии. Место химии в современной цивилизации.
методичка [35,6 K], добавлен 16.01.2010Физическая картина универсума, сохранение информации. Энергия, пространство и время как базовые категории мироздания. Влияние структурированности пространства на живые организмы. Методика исследования пространственно–волновых воздействий Луны на человека.
дипломная работа [153,0 K], добавлен 25.05.2015Естественнонаучные и социальные представления о видах, структуре и свойствах материи. Вещество как вид материи, обладающей массой. Физическое поле и физический вакуум. Концепция атомизма, дискретность и непрерывность как неотъемлемые свойства материи.
реферат [19,6 K], добавлен 29.07.2010
