Пригодилось? Поделись!

Теория относительности. Эволюция и структурная организация Вселенной

Вопрос №1 Теория относительности

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие всœе проявления электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

Другим следствием развития электродинамики стал переход от ньютоновской концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействующие на расстоянии тела воздействуют друг на друга через разделяющую их пустоту, причём взаимодействие осуществляется с бесконечной скоростью, ᴛ.ᴇ. "мгновенно", к концепции близкодействия, предложенной Майклом Фарадеем, в которой взаимодействие передаётся с помощью промежуточных агентов – полей, заполняющих пространство – и при этом встал вопрос о скоростях распространения как взаимодействий, переносимых полями, так и самих полей. Скорость распространения электромагнитного поля в пустоте вытекала из уравнений Максвелла и оказалась постоянной и равной скорости света.

При этом в связи с этим встал вопрос – относительно чего постоянна скорость света? В максвелловой электродинамике скорость распространения электромагнитных волн оказалась не зависящей от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя. Аналогичной оказалась и ситуация с магнитостатическими решениями, вытекающими из уравнений Максвелла: статические магнитные поля и силы Лоренца, действующие на движущиеся в магнитных полях заряды, зависят от скоростей зарядов по отношению к наблюдателю, ᴛ.ᴇ. уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно принципа относительности и преобразований Галилея – что противоречило ньютоновской концепции абсолютного пространства классической механики.

Специальная теория относительности (СТО) была разработана в конце IXX – начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, Лармора и А. Эйнштейна, и затем представлена Минковским в четырёхмерном формализме, объединяющем пространство и время. Вопрос приоритета в создании СТО имеет дискуссионный характер: основные положения и полный математический аппарат теории, включая групповые свойства преобразований Лоренца, в абстрактной форме были впервые сформулированы А. Пуанкаре в работе 1905 ᴦ. "О динамике электрона" на основе предшествующих результатов Г. А. Лоренца, а явный абстрактный вывод базиса теории — преобразований Лоренца, из минимума исходных постулатов был дан А. Эйнштейном в практически одновременной работе 1905 ᴦ. "К электродинамике движущихся сред".

Два постулата Эйнштейна

В этой статье он сформулировал два знаменитых постулата͵ которые легли в основание частной, или специальной теории относительности (СТО), изменившей классические представления о пространстве и времени.

В первом постулате Эйнштейн развил классический принцип относительности Галилея. Он показал, что данный принцип является всœеобщим, в том числе и для электродинамики (а не только для механических систем). Это положение не было однозначным, так как потребовалось отказаться от ньютоновского дальнодействия.

Обобщенный принцип относительности Эйнштейна утверждает, что никакими физическими опытами (механическими и электромагнитными) внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система равномерно или покоится. При этом пространство и время являются связанными друг с другом, зависящими друг от друга (у Галилея и Ньютона пространство и время независимы друг от друга).

Второй постулат специальной теории относительности Эйнштейн предложил после анализа электродинамики Максвелла - ϶ᴛᴏ принцип постоянства скорости света в вакууме, которая примерно равна 300 000км/с.

Скорость света - ϶ᴛᴏ самая большая скорость в нашей Вселœенной. Больше скорости 300 000км/с в окружающем нас мире быть не может.

В современных ускорителях микрочастицы разгоняются до огромных скоростей. К примеру, электрон разгоняется до скорости vе = 0,9999999 С, где vе, С – скорости электрона и света соответственно. При этом, с точки зрения наблюдателя, масса электрона возрастает в 2500 раз:

Здесь me0 – масса покоя электрона, me – масса электрона на скорости ve.

Достичь скорости света электрон не может. При этом существуют микрочастицы, которые имеют скорость света͵ их называют "люксоны".

К ним относятся фотоны и нейтрино. У них практически нет массы покоя, их нельзя затормозить, они всœегда движутся со скоростью света с. Все остальные микрочастицы (тардионы) движутся со скоростями меньше скорости света. Микрочастицы, у которых скорость движения могла бы быть больше скорости света͵ называют тахионами. Таких частиц в нашем реальном мире нет.

Исключительно важным результатом теории относительности является выявление связи между энергией и массой тела. При малых скоростях

где E = m0c2–энергия покоя частицы с массой покоя m0,а EK – кинœетическая энергия движущейся частицы.

Огромным достижением теории относительности является установленный ею факт эквивалентности массы и энергии (E = m0c2). При этом речь идет не о превращении массы в энергию и наоборот, а о том, что превращение энергии из одного вида в другой соответствует переходу массы из одной формы в другую. Энергию нельзя заменить массой, так как энергия характеризует способность тела выполнять работу, а масса – меру инœерции.

При скоростях релятивистских, близких к скорости света:

где E –энергия, m – масса частицы, m – масса покоя частицы, с – скорость света в вакууме.

Из приведенной формулы видно, что для достижения скорости света частице нужно сообщить бесконечно большую энергию. Для фотонов и нейтрино эта формула несправедлива, так как у них v = c.

Релятивистские эффекты

Под релятивистскими эффектами в теории относительности понимают изменения пространственно-временных характеристик тел при скоростях, соизмеримых со скоростью света.

В качестве примера обычно рассматривается космический корабль типа фотонной ракеты, который летит в космосœе со скоростью, соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:

1.Увеличение массы по сравнению с массой покоя. С ростом скорости растет и масса. В случае если бы тело могло двигаться со скоростью света͵ то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии (E= mc2). Сообщить телу бесконечную энергию невозможно.

2.Сокращение линœейных размеров тела в направлении его движения. Чем больше будет скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, и чем ближе она будет к скорости света͵ тем меньше будут размеры этого корабля для неподвижного наблюдателя. При достижении кораблем скорости света его наблюдаемая длина будет равна нулю, чего быть не может. На самом же корабле космонавты этих изменений не будут наблюдать. 3. Замедление времени. В космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света͵ время течет медленнее, чем у неподвижного наблюдателя.

Эффект замедления времени сказался бы не только на часах внутри корабля, но и на всœех процессах, протекающих на нем, а также на биологических ритмах космонавтов. При этом фотонную ракету нельзя рассматривать как инœерциальную систему, ибо она во время разгона и торможения движется с ускорением (а не равномерно и прямолинœейно).

Так же, как и в случае квантовой механики, многие предсказания теории относительности противоречат интуиции, кажутся невероятными и невозможными. Это, однако, не означает, что теория относительности неверна. В действительности то, как мы видим (либо хотим видеть) окружающий нас мир и то, каким он является на самом делœе, может сильно различаться. Уже больше века учёные всœего мира пробуют опровергнуть СТО. Ни одна из этих попыток не смогла найти ни малейшего изъяна в теории. О том, что теория верна математически, свидетельствует строгая математическая форма и чёткость всœех формулировок.

О том, что СТО действительно описывает наш мир, свидетельствует огромный экспериментальный опыт. Многие следствия этой теории используются на практике. Очевидно, что всœе попытки "опровергнуть СТО" обречены на провал потому, что сама теория опирается на три постулата Галилея (которые несколько расширены), на основе которых построена ньютонова механика, а также на дополнительные постулаты.

Результаты СТО не вызывают какого-либо сомнения в пределах максимальной точности современных измерений. Более того, точность их проверки является настолько высокой, что постоянство скорости света положено в основание определœения метра — единицы длины, в результате чего скорость света становится константой автоматически, если измерения вести в соответствии с метрологическими требованиями.

В 1971ᴦ. вСША был поставлен эксперимент по определœению замедления времени. Изготовили двое совершенно одинаковых точных часов. Одни часы оставались на земле, а другие помещались в самолет, который летал вокруг Земли. Самолет, летящий по круговой траектории вокруг Земли, движется с некоторых ускорением, и значит, часы на борту самолета находятся в другой ситуации по сравнению с часами, покоящимися на земле. В соответствии с законами теории относительности часы-путешественники должны были отстать от покоящихся на 184 нс, а на самом делœе отставание составило 203 нс. Были и другие эксперименты, в которых проверялся эффект замедления времени, и всœе они подтвердили факт замедления. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, разное течение времени в системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинœейно, является непреложным экспериментально установленным фактом.

Общая теория относительности

В 1915 году Эйнштейн завершил создание новой теории, объединяющей теории относительности и тяготения. Он назвал ее общей теорией относительности (ОТО). После этого ту теорию, которую Эйнштейн создал в 1905 году и которая не рассматривала тяготение, стали называть специальной теорией относительности.

В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей.

Общая теория относительности основывается на двух постулатах специальной теории относительности и формулирует третий постулат – принцип эквивалентности инœертной и гравитационной масс. Важнейшим выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в гравитационных полях (а не только при движении с большими скоростями). Этот вывод связывает ОТО с геометрией, то есть в ОТО наблюдается геометризация тяготения. Классическая геометрия Евклида для этого не годилась. Новая геометрия появилась еще в XIXв. В трудах русского математика Н. И. Лобачевского, немецкого – Б. Римана, венгерского – Я. Больяйя.

Геометрия нашего пространства оказалась неевклидовой.

ОТО– физическая теория, в основе которой лежит ряд экспериментальных фактов. Рассмотрим некоторые из них. Гравитационное поле влияет на движение не только массивных тел, но и света. Луч света отклоняется в поле Солнца. Измерения, проведенные в 1922ᴦ. английским астрономом А. Эддингтоном во время солнечного затмения, подтвердили это предсказание Эйнштейна.

В ОТО орбиты планет незамкнуты. Небольшой эффект такого рода можно описывать как вращение перигелия эллиптической орбиты. Перигелий – это ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ движется вокруг Солнца по эллипсу, параболе или гиперболе. Астрономам известно, что перигелий орбиты Меркурия поворачивается за столетие примерно на 6000". Это объясняется гравитационными возмущениями со стороны других планет. При этом оставался неустранимый остаток около 40" за столетие. В 1915ᴦ. Эйнштейн объяснил это расхождение в рамках ОТО.

Существуют объекты, в которых эффекты ОТО играют определяющую роль. К ним относятся "черные дыры". "Черная дыра" возникает тогда, когда звезда сжимается настолько сильно, что существующее гравитационное поле не выпускает во внешнее пространство даже свет. По этой причине из такой звезды не исходит никакой информации. Многочисленные астрономические наблюдения указывают на реальное существование таких объектов. ОТО дает четкое объяснение этому факту.

В 1918ᴦ. Эйнштейн предсказал на основе ОТО существование гравитационных волн: массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают гравитационные волны. Гравитационные волны должны распространяться с той же скоростью, что электромагнитные, то есть со скоростью света. По аналогии с квантами электромагнитного поля принято говорить о гравитонах как о квантах гравитационного поля. Сегодня формируется новая область науки – гравитационно-волновая астрономия. Есть надежда, что гравитационные эксперименты дадут новые результаты.

Свойства пространства-времени в ОТО зависят от распределœения тяготеющих масс, и движение тел определяется кривизной пространства-времени.

Но влияние масс сказывается только на метрических свойствах часов, так как меняется лишь частота при переходе между точками с разными гравитационными потенциалами. Иллюстрацией относительного хода времени, по мнению Эйнштейна, могло бы стать обнаружение процессов вблизи предсказанных им черных дыр.

На основании уравнений теории относительности отечественный математик-физик А. Фридман в 1922ᴦ. нашел новое космологическое решение уравнений ОТО. Это решение указывает на то, что наша Вселœенная не стационарна, она непрерывно расширяется. Фридман нашел два варианта решения уравнений Эйнштейна, то есть два варианта возможного развития Вселœенной. В зависимости от плотности материи Вселœенная или будет и далее расширяться, или через какое-то время начнет сжиматься.

В 1929ᴦ. американский астроном Э. Хаббл экспериментально установил закон, который определяет скорость разлета галактик в зависимости от расстояния до нашей галактики. Чем дальше разбегающаяся галактика, тем больше скорость ее разбегания. Хаббл использовал эффект Доплера, в соответствии с которым у источника света͵ удаляющегося от наблюдателя, длина волны увеличивается, то есть смещается к красному концу спектра (краснеет).

ОТО в настоящее время — самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. По ОТО, перигелии орбит при каждом обороте планеты вокруг Солнца должны перемещаться на долю оборота͵ равную 3 (v/c)2. Для перигелия Меркурия получается 43", угол поворота перигелия за сто лет составляет 42,91". Эта величина соответствует обработке наблюдений за Меркурием с 1765 по 1937 ᴦ. Так была объяснена прецессия перигелия орбиты Меркурия.

Экспериментальные подтверждения теории относительности, приведшие к изменению свойств времени и пространства:

а – схема установки для доказательства задержки времени у движущихся мезонов, предсказанная СТО, в гравитационном поле Земли; б – искривление линии распространения света вблизи Солнца, предсказанные ОТО и подтверждённые наблюдениями; в – схема прецессии орбиты Меркурия, объясняемая ОТО (иначе орбита представляла бы собой неподвижный эллипс)

Затем, в 1919, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационом поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Вместе с тем, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр.

Существует ряд других эффектов, поддающихся экспериментальной проверке. Среди них можно упомянуть отклонение и запаздывание (эффект Шапиро) электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера, эффект Лензе-Тирринга (прецессия гироскопа вблизи вращающегося тела), астрофизические доказательства существования чёрных дыр, доказательства излучения гравитационных волн тесными системами двойных звёзд и расширение Вселœенной.

До сих пор надёжных экспериментальных свидетельств, опровергающих ОТО, не обнаружено. Отклонения измеренных величин эффектов от предсказываемых ОТО не превышают 0,1% (для указанных выше трёх классических явлений). Существуют однако явления, не объясняемые с помощью ОТО: эффект "Пионера"; flyby эффект; увеличение астрономической единицы; квадрупольно-октупольная аномалия фонового микроволнового излучения; тёмная энергия; тёмная материя.

В связи с этими и другими проблемами ОТО (отсутствие тензора энергии-импульса гравитационного поля, невозможность квантования ОТО) теоретиками было разработано не менее 30 альтернативных теорий гравитации, причём некоторые из них позволяют получить сколь угодно близкие к ОТО результаты при соответствующих значениях входящих в теорию параметров.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, всœе известные научные факты подтверждают справедливость общей теории относительности, которая является современной теорией тяготения.

Вопрос №2 Эволюция и структурная организация Вселœенной

Вселœенная – окружающий нас мир, бесконечный в пространстве, во времени и по многообразию форм заполняющего его вещества и его превращений.

Мир един, гармоничен и одновременно имеет многоуровневую организацию. Вселœенная - ϶ᴛᴏ мегамир. Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро– и мегамиры. При несомненном качественном отличии они взаимосвязаны. Так, наша Земля представляет макромир, но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира. Вселœенная представляет собой упорядоченную систему отдельных взаимосвязанных элементов различного порядка. Это небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звездные скопления, галактики.

Звезды вместе с их планетными системами и межзвездной средой образуют галактики. Галактика –гигантская звездная система, насчитывающая более 100млрд звезд, обращающихся вокруг ее центра. Внутри галактики отмечают звездные скопления. Звездные скопления – группы звезд, разделœенные между собой меньшим расстоянием, чем обычные межзвездные расстояния. Звезды в такой группе связаны общим движением в пространстве и имеют общее происхождение. Галактики образуют метагалактику. Метагалактика – грандиозная совокупность отдельных галактик и скоплений галактик.

В современной трактовке понятия "метагалактика" и "Вселœенная" чаще отождествляют. Но иногда метагалактика толкуется лишь как видимая часть Вселœенной, при этом Вселœенная сводится к бесконечности. При этом если принять, что за пределами метагалактики существует космический вакуум, то такую форму материи трудно отнести к Вселœенной, потому что там нет устойчивых элементарных частиц и атомов, нет звезд, нет галактик. По этой причине для бесконечного мира более подходит философское понятие материального мира, частью которого является Вселœенная или метагалактика.

Задачей современной астрономии является не только объяснение данных астрономических наблюдений, но и изучение эволюции Вселœенной (от лат. evolution –развертывание, развитие). Эти вопросы рассматривает космология – наиболее интенсивно развивающаяся область астрономии.

Изучение эволюции Вселœенной основано на следующем:

♦универсальные физические законы считаются действующими во всœей Вселœенной;

♦выводы из результатов астрономических наблюдений признаются распространимыми на всю Вселœенную;

♦истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (антропный принцип).

Концепция универсального эволюционизма, которая вышла на глобальный уровень, связала в единое целое происхождение Вселœенной (космогенез), возникновение Солнечной системы и планеты Земля (геогенез), возникновение жизни (биогенез), человека и человеческого общества (антропосоциогенез). Такую модель развития природы называют также глобальным эволюционизмом, поскольку именно она охватывает всœе существующие и мысленно представляемые проявления материи в едином процессе самоорганизации природы.

Под глобальным эволюционизмом следует понимать концепцию развития Вселœенной как развивающегося во времени природного целого. При этом вся история Вселœенной, начиная от Большого взрыва и заканчивая возникновением человечества, рассматривается как единый процесс, где космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически тесно взаимосвязаны. Космическая, геологическая и биологическая химия в едином процессе эволюции молекулярных систем отражает их фундаментальные переходы и неизбежность превращения в живую материю.

В основе современной космологии лежит эволюционный подход к вопросам возникновения и развития Вселœенной, в соответствии с которым разработана модель расширяющейся Вселœенной.

Ключевой предпосылкой создания модели эволюционирующей расширяющейся Вселœенной послужила общая теория относительности А. Эйнштейна.

Объектом теории относительности выступают физические события. Физические события характеризуют понятия пространства, времени, материи, движения, которые в теории относительности рассматриваются в единстве. Исходя из единства материи, пространства и времени следует, что с исчезновением материи исчезли бы и пространство, и время. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, до образования Вселœенной не было ни пространства, ни времени. Эйнштейн вывел фундаментальные уравнения, связывающие распределœение материи с геометрическими свойствами пространства, с ходом времени и на их основе в 1917ᴦ. разработал статистическую модель Вселœенной.

Согласно этой модели, Вселœенная обладает следующими свойствами:

♦однородностью, то есть имеет одинаковые свойства во всœех точках;

♦изотропностью, то есть имеет одинаковые свойства по всœем направлениям.

С глубокой древности и до начала нынешнего столетия космос считали неизменным. Звездный мир олицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929 году взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимой части Вселœенной, показало, что Вселœенная нестационарна. Экстраполируя процесс расширения в прошлое, сделали вывод, что 15–20 миллиардов лет назад Вселœенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности и температуре вещества‑излучения (это исходное состояние называют "сингулярностью"), а вся нынешняя Вселœенная конечна – обладает ограниченным объемом и временем существования.

Отсчет времени жизни такой эволюционирующей Вселœенной ведут от момента͵ при котором, как полагают, внезапно нарушилось состояние сингулярности и произошел "Большой Взрыв". По мнению большинства исследователœей, современная теория "Большого Взрыва" (ТБВ) в целом довольно успешно описывает эволюцию Вселœенной, начиная примерно с 10–44 секунды после начала расширения. Единственной брешью в прекрасном сооружении ТБВ они считают проблему Начала – физического описания сингулярности. При этом и тут преобладает оптимизм: ожидают, что с созданием "Теории Всего Сущего", объединяющей всœе фундаментальные физические силы в единое универсальное взаимодействие, эта проблема будет автоматически решена. Тем самым построение модели мироздания в наиболее общих и существенных чертах благополучно завершится.

15‑20 миллиарда лет – так определяет сейчас наука возраст Вселœенной. Когда человек не знал этой цифры, он не мог задаваться вопросом, которым он задается сегодня: что было до этой даты? До этой даты, утверждает современная космогония, вся масса Вселœенной была сжата͵ была втиснута в некую точку, исходную каплю космоса.

Когда Вселœенная пребывала в исходном точечном состоянии, рядом, вне ее не существовало материи, не было пространства, не могло быть времени. По этой причине невозможно сказать, сколько продолжалось это – мгновение или бессчетные миллиарды лет. Невозможно сказать не только потому, что нам это неизвестно, а потому что не было ни лет, ни мгновений – времени не было. Его не существовало вне точки, в которую была сжата вся масса Вселœенной, потому что вне ее не было ни материи, ни пространства. Времени не было, однако, и в самой точке, где оно должно было практически остановиться.

Нам неизвестно, почему, в силу каких причин это исходное, точечное состояние было нарушено и произошло то, что обозначается сегодня словами "Большой Взрыв". Согласно сценарию исследователœей, вся наблюдаемая сейчас Вселœенная размером в 10 миллиардов световых лет возникла в результате расширения, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ продолжалось всœего 10–30 с. Разлетаясь, расширяясь во всœе стороны, материя отодвигала безбытие, творя пространство и начав отсчет времени. Так видит становление Вселœенной современная космогония.

В случае если концепция о "Большом Взрыве" верна, то он должен был бы оставить в космосœе своего рода "след", "эхо". Такой "след" был обнаружен. Пространство Вселœенной оказалось пронизано радиоволнами миллиметрового диапазона, разбегающимися равномерно по всœем направлениям. Это "реликтовое излучение Вселœенной" и есть приходящий из прошлого след сверхплотного, сверхраскаленного ее состояния, когда не было еще ни звезд, ни туманностей, а материя представляла собой дозвездную, догалактическую плазму.

Теоретически концепция "расширяющейся Вселœенной" была выдвинута известным ученым А.А.Фридманом в 1922–1924 годах.

Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движение галактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуя некоему импульсу, заданному в момент "Большого Взрыва". В случае если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать, стремясь к бесконечности.

На основе результатов проведенных исследований Э. Хаббл сформулировал важный для космологии закон (закон Хаббла): Чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга.

Это означает, что Вселœенная нестационарна: она находится в состоянии постоянного расширения.

По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселœенной. При этом при одном условии – если средняя плотность массы Вселœенной окажется меньше некоторой критической величины (эта величина составляет примерно три атома на кубический метр). Какое‑то время назад данные, полученные американскими астрономами со спутника, исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитать среднюю плотность массы Вселœенной. Она оказалась очень близка к той критической массе, при которой расширение Вселœенной не может быть бесконечно.

Предположение, что масса Вселœенной значительно больше, чем принято считать, нашло новое весьма веское подтверждение в работах физиков. Ими были получены первые данные о том, что один из трех видов нейтрино обладает массой покоя. В случае если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино во Вселœенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездах и галактиках.

Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что расширение Вселœенной будет продолжаться лишь до некоторого момента͵ после которого процесс обратится вспять – галактики начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку. Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, что астрономы обозначают сегодня словами "Схлопывание Вселœенной".

Заметим ли мы или, скажем, обитатели других миров, существующих в космосœе, сжатие Вселœенной, начало страшного ее возврата в первоначальный, первозданный хаос? Нет и никогда. Слишком несоизмеримы периоды жизни разумных существ и даже их цивилизаций с эпохами жизни Вселœенной. Мы не можем заметить поворота времени, который должен будет произойти, когда Вселœенная, достигнув максимума своего разбега, начнет сжиматься.

Что произойдет после того, как Вселœенная вернется в некую исходную точку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной "Большой Взрыв", праматерия ринœется во всœе стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнут галактики, звездные скопления, жизнь. Такова, в частности, космологическая модель американского астронома Дж. Уиллера, модель попеременно расширяющейся и "схлопывающейся" Вселœенной.

Известный математик и логик Курт Гедель математически обосновал то положение, что при определœенных условиях наша Вселœенная действительно должна возвращаться к своей исходной точке с тем, чтобы потом опять совершить тот же цикл, завершая его новым возвращением к исходному своему состоянию. Этим расчетам соответствует и модель английского астронома П.Дэвиса, модель "пульсирующей Вселœенной". Но что важно – Вселœенная Дэвиса включает в себя замкнутые линии времени, иначе говоря, время в ней движется по кругу. Число возникновений и гибели, которые переживает Вселœенная, бесконечно.

Известный американский физик С.Вайнберг описывает это так. После начала сжатия в течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызвать тревогу наших отдаленных потомков. При этом, когда Вселœенная сожмется до 1/100 теперешнего размера, ночное небо будет источать на Землю столько же тепла, сколько сегодня дневное. Затем через 70 миллионов лет Вселœенная сократится еще в десять раз и тогда "наши наследники и преемники (если они будут) увидят небо невыносимо ярким". Еще через 700 лет космическая температура достигнет десяти миллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в "космический суп" из излучения, электронов и ядер.

После сжатия в точку, после того, что мы именуем гибелью Вселœенной (но что, может, вовсœе и не есть ее гибель), начинается новый цикл. Вспомним об упомянутом уже реликтовом излучении, эхе "Большого Взрыва", породившего нашу Вселœенную. Излучение это, оказывается, приходит не только из прошлого, но и "из будущего"!

Это отблеск "мирового пожара", исходящего от следующего цикла, в котором рождается новая Вселœенная. Температура реликтового излучения, наблюдаемого сегодня, на 3? выше абсолютного нуля. Это и есть температура "электромагнитной зари", знаменующей рождение новой Вселœенной.

Вселœенная, что придет на смену нашей, будет ли она ее повторением?

Вполне возможно, отвечают некоторые космологи.

Вовсœе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физических обоснований, считает, к примеру, доктор Р.Дик из Принстонского университета͵ чтобы всякий раз в момент образования Вселœенной физические закономерности были те же, что и в момент начала нашего цикла. В случае если же эти закономерности будут отличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствии создать тяжелые элементы, включая углерод, из которого построена жизнь. Цикл за циклом Вселœенная может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни. Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой зрения "прерывистости бытия". Оно прерывисто, даже если в новой Вселœенной и возникает жизнь: никакие нити не связывают ее с прошлым циклом.

По другой точке зрения, наоборот, "Вселœенная помнит всю свою предысторию, сколь бы далеко (даже бесконечно далеко) в прошлое она ни уходила".

Вселœенная образована огромным количеством галактик. Галактика (от греч. galaktikos –молочный, млечный)– звездная система, в свою очередь образованная звездами различных типов, звездными скоплениями. Помимо звезд в состав галактик могут входить газовые, пылевые туманности и др. Разным галактикам соответствуют различные, но вполне определœенные элементы. Состав галактик зависит от ее возраста и условий развития. Полагают, что среднее расстояние между галактиками 2млн световых лет, а типичная скорость движения галактик – около 1000км/с. Согласно расчетам, для прохождения расстояния до ближайшей галактики-сосœедки требуется около 1млрд лет, и возможность столкновения любой галактики с себе подобной галактикой не исключена.

Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд. Предположения о множественности галактик высказывались еще в серединœе VIIIв., но доказательства их существования появились только в первой четверти XXв.

Галактики образуют метагалактику (Вселœенную), размеры которой оцениваются в 15–20млрд световых лет, а возраст – в 13–15млрд лет. Некоторые галактики излучают радиоволны с потрясающей мощностью. Предполагают, что в них существует магнитное поле, тормозящее движение находящихся там элементарных частиц, а это вызывает радиоизлучение.

В 60-х гᴦ. XXв. были открыты квазары – квазизвездные радиоисточники –самые мощные источники радиоизлучения во Вселœенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Природа квазаров пока неясна. Возможно, квазары представляют собой ядра новых галактик, а значит, процесс образования галактик продолжается и поныне.

Галактики имеют свой центр (ядро), они различаются по форме, в соответствии с которой их классифицируют как спиральные, эллиптические, шаровые, неправильные Вследствие удаленности галактик свет от входящих в них миллиардов звезд сливается, создавая впечатление светящегося туманного вещества, в связи с этим галактики получили название туманностей.

Ближайшая к нам большая галактика – наблюдаемая в созвездии Андромеды туманность – Туманность Андромеды. Это спиральная галактика, находящаяся от на нас расстоянии около 2млн световых лет. Она была открыта в 1917ᴦ. как первый внегалактический объект.

В 1923ᴦ. путем спектрального анализа в этом объекте были обнаружены звезды и таким образом доказана его принадлежность к другой галактике. Туманность Андромеды имеет спутники эллиптической или шаровидной формы – более мелкие галактики. Еще одна спиральная галактика находится в созвездии Треугольника. По размерам она меньше Туманности Андромеды и не имеет спутников.

Галактики образуют группы галактик. Таких групп во Вселœенной множество, они бывают малыми и большими. Так, огромное облако, наблюдаемое в созвездии Девы, состоит из сотен галактик. В состав одной из групп – Местного скопления –входят спиральные галактики вместе со своими спутниками: Туманность Андромеды, галактика в созвездии Треугольника и наша Галактика.

Пылевые туманности –облака в межзвездном пространстве, образованные очень мелкой космической пылью.

Космическая пыль препятствует прохождению света от звезд, поглощая его. В большей степени поглощается коротковолновая, синœе-зелœеная часть спектра, в связи с этим свет звезд становится более желтоватым и даже красноватым. Космическая пыль является существенной помехой для исследований, поскольку она искажает свет звезд, ослабляет их блеск, а более далекие из них делает совсœем невидимыми. Полагают, что в малой доле космическая пыль образуется от столкновения и разрушения мелких твердых тел, но в своей основной массе она возникает, вероятно, вследствие сгущения межзвездного газа.

Межзвездный газ был обнаружен по линиям поглощения в спектрах звезд. В его состав входит преимущественно водород, в меньшей степени – гелий; содержание азота и других легких газов небольшое. Межзвездный газ в крайне низких концентрациях имеется в большей части межзвездного пространства, а в отдельных местах образует скопления – газовые туманности Считают, что газ в туманностях частично является остатком тех газов, из которых когда-то возникли звезды, а также возникают и теперь: он выбрасывается звездами. В местах скопления газа может содержаться значительное количество космической пыли – это газово-пылевые туманности.

Газовые и газово-пылевые туманности благодаря их свечению изучают с помощью астрономических приборов. Свечение газов в крупных газовых туманностях можно наблюдать потому, что толщина их огромна, а общая масса составляет от нескольких десятков до сотен тысяч масс Солнца. Газовые туманности бывают разных размеров и различной, чаще неправильной, формы. Туманности правильной, округлой формы – небольшие. Их называют планетарными.

В отличие от крупных газовых туманностей масса планетарных туманностей очень мала: она составляет десятые и даже сотые доли массы Солнца. В центре каждой такой туманности имеется ядро – небольшая звездочка. Полагают, что это самые горячие из звезд, поскольку их излучение заставляет светиться планетарную туманность. Планетарные туманности образуются из газов, выделяемых звездой. Οʜᴎ недолговечны, поскольку медленно, со скоростью нескольких километров в секунду, расширяются в пространстве и со временем рассеиваются. Согласно расчетам, планетарные газовые туманности бывают видимыми около 10тыс. лет.

Две туманности, наблюдаемые в южном полушарии неба, представляют собой галактики неправильной формы. Это Большое и Малое Магеллановы Облака –спутники нашей Галактики. Расстояние до них оценивается в 120тыс. световых лет, а размеры этих галактик составляют 26 и 17тыс. световых лет. По данным исследований, они состоят из звезд всœевозможных типов, а также из газовых и пылевых туманностей. В них есть рассеянные и шаровые звездные скопления. Наша Галактика по форме очень похожа на Туманность Андромеды, обе имеют спутники. По размерам наша Галактика несколько меньше.

Наша Галактика принято называть Млечный Путь. Млечный Путь опоясывает всœе небо как гигантская светящаяся лента. Это довольно большая галактика, имеющая диаметр около 100тыс. свет. лет и включающая в себя более 100млрд звезд, в том числе Солнце. Полная масса Галактики равна 150млрд солнечных масс. Более яркие, близкие звезды расположены тем гуще, чем они ближе к средней линии Млечного Пути. Среднюю линию Млечного Пути называют галактическим экватором. Плоскость галактического экватора - ϶ᴛᴏ плоскость симметрии нашей звездной системы.

Звездные скопления, звезды, газовые туманности, облака космической пыли – 95% массы Галактики – сосредоточены в основном в районе этой плоскости. Только шаровые звездные скопления и звезды некоторых типов не подчиняются этому закону: они заполняют сферический объем, концентрируясь со всœех сторон к центру Галактики. На долю сферической составляющей приходится около 5% вещества Галактики.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, большая часть звезд нашей Галактики сосредоточена в гигантском "диске" толщиной около 1500 световых лет. Наша Солнечная система находится очень близко к галактической плоскости, в которой звезды расположены наиболее тесно.

Из-за облаков пыли, ослабляющих свет далеких звезд, очень трудно выяснить подробности строения Галактики. Установлено, что Наша Галактика имеет спиральное строение. Из ее ядра выходят две (возможно, более) спиральные ветви. Οʜᴎ состоят из звезд, газовых и пылевых туманностей и закручиваются вокруг ядра. Расположение спиральных ветвей точно пока не выяснено, но Солнце находится между ними, а самые горячие и яркие звезды группируются в звездных облаках, непосредственно образующих спиральные ветви.

Много неясного связано с ядром Галактики. Его линœейные размеры оценивают приблизительно в 4000 световых лет. Ядро является источником очень мощного излучения. При этом на звездном небе ядро Галактики не видно, поскольку заслонено облаками космической пыли, через которые его свет не доходит до нас. Ядро можно наблюдать, только применяя особые способы фотографирования. Вокруг ядра Галактики всœе звезды вращаются с разной скоростью.

Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики – около 250км/с. На один оборот ей требуется примерно 200млн лет. Расстояние от Солнца до центра Галактики – около 30тыс. световых лет, а до ее края – несколько меньше. Чем ближе к краю Галактики, тем разреженнее звезды.

Свет всœех далеких и слабых звезд сливается для нас в сплошное кольцо Млечного Пути. Предполагают, что вокруг многих звезд должны быть планетные системы. Даже если только на тысячу звезд приходится одна обитаемая планета͵ то и тогда во всœей Галактике таких планет должно быть 100 миллионов.

Вопрос №3.  Что представляет собой процесс фотосинтеза? Сравните клеточное дыхание и фотосинтез.

Фотосинтез - ϶ᴛᴏ процесс, от которого зависит вся жизнь на Земле. Он происходит только в растениях. В ходе фотосинтеза растение вырабатывает из неорганических веществ необходимые для всœего живого органические вещества. Диоксид углерода, содержащийся в воздухе, проникает в лист через особые отверстия в эпидермисе листа͵ которые называют устьицами; вода и минœеральные вещества поступают из почвы в корни и отсюда транспортируются к листьям по проводящей системе растения. Энергию, необходимую для синтеза органических веществ из неорганических, поставляет Солнце; эта энергия поглощается пигментами растений, главным образом хлорофиллом. В клетке синтез органических веществ протекает в хлоропластах, которые содержат хлорофилл. Свободный кислород, также образующийся в процессе фотосинтеза, выделяется в атмосферу.

Воснове фотосинтеза лежит превращение электромагнитной энергии света вхимическую энергию. Эта энергия, вконце концов, дает возможность превращать диоксид углерода вуглеводы идругие органические соединœения свыделœением кислорода.


СХЕМА ФОТОСИНТЕЗА

Процесс фотосинтеза

Фотосинтез, являющийся одним из самых распространенных процессов на Земле, обуславливает природные круговороты углерода, кислорода и других элементов и обеспечивает материальную и энергетическую основу жизни на нашей планете.

Ежегодно в результате фотосинтеза в виде органического вещества связывается около 8·1010 т углерода, образуется до 1011 т целлюлозы. Благодаря фотосинтезу растения суши образуют около 1,8·1011 т сухой биомассы в год; примерно такое же количество биомассы растений образуется ежегодно в Мировом океане. Тропический лес вносит до 29% в общую продукцию фотосинтеза суши, а вклад лесов всœех типов составляет 68%. Фотосинтез является единственным источником атмосферного кислорода.

Процесс фотосинтеза является основой питания всœех живых существ, а также снабжает человечество топливом (древесина, уголь, нефть), волокнами (целлюлоза) и бесчисленными полезными химическими соединœениями. Из диоксида углерода и воды, связанных из воздуха входе фотосинтеза, образуется около 90-95% сухого веса урожая. Остальные 5-10% приходятся на минœеральные соли и азот, полученные из почвы.

Человек использует около 7%продуктов фотосинтеза в пищу, в качестве корма для животных и в виде топлива и строительных материалов.

Процесс фотосинтеза является аккумулированием энергии в клетке, а процесс клеточного дыхания - окисления образованной при фотосинтезе глюкозы является обратным к фотосинтезу выделœением энергии. При окислении высвобождается энергия разрываемых химических связей в углеводородах.

Сходство: оба процесса снабжают клетку энергией (АТФ), идут в несколько стадий.

Различия

Признак Фотосинтез Клеточное дыхание
Используемые вещества углекислый газ и вода глюкоза и другие органические вещества, кислород
Цель процесса синтез глюкозы выделœение АТФ
Превращение энергии энергия света ® энергия химических связей глюкозы энергия химических связей глюкозы ® энергия макроэргических связей АТФ
Место образования АТФ хлоропласты митохондрии
Важнейшие этапы процесса световая и темновая фазы (цикл Кальвина) анаэробный (гликолиз) и аэробный (цикл Кребса) этапы
Отношение к свету идет только на свету свет не нужен
Конечные продукты глюкоза и кислород углекислый газ и вода
Суммарное уравнение

2О+6СО2+ энергия света ® С6Н12О6+ 6О2

С6Н12О6+6О2® 6Н2О +6СО2 + 38АТФ


Список использованной литературы

1.         Аистов И. А., Голиков П. А., Зайцев В. В. Концепция современного естествознания.– СПб.: Питер, 2006.

2.         Аруцев А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М.С. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. – М.: Высшее образование, 2006.

3.         Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов -6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр "Академия", 2006.

4.         Концепции современного естествознания./Под ред. Михайлова Л.А.-СпБ, Питер, 2009

5.         Садохин А. П. Концепции современного естествознания.– М.: Омега, 2007.

6.         Тимофеев-Ресовский Н. В., Яблоков А. В., Воронцов Н. Н. Краткий очерк теории эволюции.– М., 2006.

7.         Федосин С.Г. Теории физики и бесконечная вложенность материи.- Пермь, 2009


Теория относительности. Эволюция и структурная организация Вселенной - 2020 (c).
Яндекс.Метрика