Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

Эффекты замедления времени пренебрежимо малы, если скорость космического корабля  гораздо меньше скорости света c. Тем  не менее, удалось получить прямое подтверждение  этого эффекта в экспериментах  с макроскопическими часами. Наиболее точные часы - атомные работающие на пучке атомов цезия. Эти часы «тикают» 9192631770 раз в секунду. Американские физики в 1971 году провели сравнение  двух таких часов, причем одни из них  находились в полете вокруг Земли  на обычном реактивном лайнере, а  другие оставались на Земле в военно-морской  обсерватории США. В соответствии с  предсказаниями СТО, путешествующие на лайнерах часы должны были отстать  от находящихся на Земле часов  на (184±23)·10-9 с. Наблюдаемое отставание составило (203±10)·10-9 с, т. е. в пределах ошибок измерений. Через несколько  лет эксперимент был повторен и дал результат, согласующийся  со СТО с точностью 1 %.

В настоящее время уже необходимо принимать во внимание релятивистский эффект замедления хода часов при  транспортировке атомных часов  на большие расстояния.

Под длиной стержня в системе K, относительно которой стержень движется, понимают расстояние между координатами концов стержня, зафиксированными одновременно по часам этой системы. Если известна скорость системы K' относительно K, то измерение длины движущегося  стержня можно свести к измерению  времени: длина движущегося со скоростью  х стержня равна произведению , где - интервал времени по часам  в системе K между прохождением начала стержня и его конца мимо какой-нибудь неподвижной точки (например, точки A) в системе K (рис. 3.1). Поскольку в  системе K оба события (прохождение  начала и конца стержня мимо фиксированной  точки A) происходят в одной точке, то промежуток времени в системе K является собственным временем.

Найдем  теперь связь между и . С точки  зрения наблюдателя в системе K', точка A, принадлежащая системе K, движется вдоль неподвижного стержня налево со скоростью х, поэтому можно  записать =хф,

где ф есть промежуток времени между  моментами прохождения точки A мимо концов стержня, измеренный по синхронизованным часам в K'. Используя связь между  промежутками времени ф и

найдем

Таким образом, длина стержня зависит  от системы отсчета, в которой  она измеряется, т. е. является относительной  величиной. Длина стержня оказывается  наибольшей в той системе отсчета, в которой стержень покоится. Движущиеся относительно наблюдателя тела сокращаются  в направлении своего движения. Этот релятивистский эффект носит название лоренцево сокращения длины.

Следует обратить внимание, что при малых  скоростях движения (х << c) формулы  СТО переходят в классические соотношения: и . Таким образом, классические представления, лежащие в основе механики Ньютона и сформировавшиеся на основе многовекового опыта наблюдения над медленными движениями, в специальной  теории относительности соответствуют  предельному переходу при в=х/c>0. В этом проявляется принцип соответствия.

4. Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл, т.е. возвращается в исходное состояние, то полное количество тепла, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершаемой ею работе.

Первое  начало термодинамики представляет собой по существу выражение закона сохранения энергии для систем, в  которых существенную роль играют тепловые процессы. Энергетическая эквивалентность  теплоты и работы, т.е. возможность  измерения их количеств в одних  и тех же единицах и тем самым  возможность их сравнения, была доказана немецким физиком Ю.Р.Майером в 1842 г. и особенно англичанином Дж.Джоулем  в 1843 г. Первое начало термодинамики  было сформулировано Майером, а затем  в значительно более ясной  форме немецким физиком Г.Гельмгольцем в 1847 г. Приведенная выше формулировка равнозначна утверждению о невозможности  создания вечного двигателя 1-го рода, поскольку часть энергии системой неизбежно будет потеряна в виде тепла.

5.    "Парниковый эффект" возник не сегодня - он существовал с тех пор, как наша планета обзавелась атмосферой, и без него температура приземных слоев этой атмосферы были бы в среднем градусов на тридцать ниже реально наблюдаемой. Однако в последние век-полтора содержание некоторых "парниковых" газов в атмосфере очень сильно выросло: углекислоты - более чем на треть, метана - в 2,5 раза. Появились и новые, ранее просто не существовавшие вещества с "парниковым" спектром поглощения - прежде всего хлор и фтор углеводороды, в том числе пресловутые фреоны. Сам собой напрашивается вывод о связи между этими двумя процессами. Тем более, что причину быстрого роста количества "парниковых" газов тоже долго искать не надо - вся наша цивилизация, от костров первобытных охотников до современных газовых плит и автомобилей зиждется на быстром окислении соединений углерода, конечным продуктом которых и является СО₂. С деятельностью человека связан и рост содержания метана (рисовые поля, скот, утечки из скважин и газопроводов) и окислов азота, не говоря уж о хлор органике. Пожалуй, только на содержание водяного пара в атмосфере человек еще не оказывает заметного прямого влияния.  

Не исключено, что это потепление частично имеет естественный природный  характер. Ведь еще А.И. Войков и В.И. Вернадский подчеркивали, что мы живем  в конце последней ледниковой эпохи и только выходим из нее. Однако скорость потепления заставляет признать роль антропогенного фактора  в этом явлении. Еще в 1927 г. в «Очерках геохимии» Вернадский писал о  том, что сжигание больших количеств  каменного угля должно привести к  изменению химического состава  атмосферы и климата. В 1972 г. расчетами  это подтвердил М.И. Будыко. Сейчас человечество сжигает ежегодно 4,5 млрд. т угля, 3,2 млрд. т нефти и нефтепродуктов, а также природный газ, торф, горючие  сланцы и дрова. Все это превращается в углекислый газ, содержание которого в атмосфере возросло с 0,031% в 1956 г. до 0,035% в 1992 г. и продолжает расти. Кроме  того, резко увеличились выбросы  в атмосферу другого парникового  газа -- метана. Сейчас большинство климатологов мира признает роль антропогенного фактора  в потеплении климата.

За прошедшие с той  поры 12 лет проведено много исследований и совещаний, которые показали, что  мрачные прогнозы несостоятельны. Подъем уровня Мирового океана действительно  происходит, но со скоростью 0,6 мм в  год, или 6 см за столетие. В то же время  вертикальные поднятия или опускания  береговых линий достигают 20 мм в  год. Таким образом, трансгрессии и  регрессии моря определяются тектоникой в большей мере, чем подъемом уровня Мирового океана.

В то же время потепление климата будет сопровождаться увеличением  испарения с поверхности океанов  и увлажнением климата, о чем  можно судить по палео-географическим данным. Всего 7-8 тыс. лет назад во время голоценового климатического оптимума, когда температура на широте Москвы была на 1,5-2°С выше современной, на месте Сахары расстилалась саванна с рощами акаций и многоводными реками, а в Средней Азии Заравшан впадал в Амударью, река Чу -- в Сырдарью, уровень Аральского моря находился на отметке 72 м и все эти реки, блуждая по территории современной Туркмении, текли в прогибавшуюся впадину Южного Каспия. Подобное происходило и в других ныне аридных областях мира.

6. В настоящее время известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное и электромагнитное взаимодействия по сути своих названий относятся к силам, возникающим в гравитационных и электромагнитных полях. Заметим еще раз, что несмотря на «приоритет» гравитационного взаимодействия, количественно установленного еще Ньютоном, природа его до сих пор не является полностью определенной и на самом деле не ясно, как передается это действие через пространство.

Ядерные силы, относящиеся  к сильным взаимодействиям, действуют  на малых расстояниях в ядрах  и обеспечивают их устойчивость, несмотря на отталкивающие действия кулоновских  сил электромагнитных полей. Поэтому  ядерные силы являются в основном силами притяжения и действуют между  протонами (р-р), нейтронами (n-n). Существует также протон-нейтронное взаимодействие (p-n). Поскольку эти частицы объединены в одну группу нуклонов, то это взаимодействие нуклон-нуклонное. Слабые взаимодействия проявляются в процессе ядерного распада или более широко - в процессах взаимодействия электрона и нейтрино (оно может существовать также и между любыми парами элементарных частиц). Как мы уже знаем, гравитационное и электромагнитное взаимодействия меняются с расстоянием как 1/r² и являются дальнодействующими. Сильное ядерное и слабое взаимодействия являются короткодействующими. По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное), электрическое, слабое, гравитационное.

Этим основным взаимодействиям  соответствуют четыре мировых константы. Заметим, что подавляющее число  физических констант имеют размерности, зависящие от системы единиц отсчета, например в СИ заряд электрона  е = 6 ×10^-19 Кл, его масса m = 9,1 ×10^-31 кг. Оказалось, что в различных системах отсчета основные единицы имеют не только различные размерности, но даже и численные значения. Такое положение не устраивает науку, так как, естественно, хотелось бы иметь безразмерные константы, не связанные в общем-то с условным выбором исходных единиц систем отсчета. Кроме того, фундаментальные константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально. В этом смысле теоретическую физику, действительно, нельзя считать самодостаточной и законченной для объяснения свойств природы, пока проблема, связанная с мировыми константами, не будет понята и объяснена.

Считается, что все четыре вида взаимодействия и их константы обусловливают нынешнее строение и существование Вселенной. Так, гравитационное - удерживает планеты на их орбитах и тела - на Земле. Электромагнитное - удерживает электроны в атомах и соединяет их в молекулы, из которых, в том числе, состоим и мы сами. Слабое - обеспечивает длительное горение Солнца, дающего энергию для протекания всех процессов на Земле. Сильное взаимодействие обеспечивает возможность стабильного существования ядер атомов. Теоретическая физика показывает, что изменение числовых значений этих констант приводит к разруВ современном естествознании предполагается, что мировые константы стабильны начиная со времени 10^-35 с с момента рождения Вселенной, и что таким образом в нашей Вселенной как бы существует очень точная «подгонка» числовых значений мировых констант, обусловливающих существование ядер, атомов, звезд и галактик. Возникновение и существование такой ситуации не ясно. Тем не менее, эта «подгонка» (константы именно такие, какие они есть!) создает условия для существования не только сложных неорганических, органических и живых структур, но, в конечном счете, и человека.

7. Основанием современной космологии служит научная теория и ряд философских принципов. Теория - это общая теория относительности, включающая два принципа: принцип эквивалентности и принцип Маха. Принцип эквивалентности гласит, что у любого тела может быть только одна (положитнельная или нулевая) масса. Этим принципом, в частности, устанавливается равенство гравитационной и инертной масс и, следовательно, эквивалентность гравитационных полей и равноускоренных систем.  
   Принцип Маха гласит, что инерция любого тела определяется общим распределением массы во Вселенной.Следствием его является вывод о том, что от расспространения массы зависит также геометрия Вселенной и движение в ней любого объкта, в том числе света. Важнейший филосовский принцип - так называемый космологический принцип, гласящий, что на небольших масштабах Вселенная должна выглядеть одинаково, независимо от точки наблюдения. Следовательно, предполагается однородность и изотропность Вселенной. В другой формулировке, называемой совершенным космологическим принципом, постулируется также однородность во времени и, следовательно, существование стационарной Вселенной. Этот тип Вселенной, однако, противоречит наболюдениям и поэтому больше не рассматривается теоретиками. С этим принципом тесно связан другой - постулирующий единство физических законов во всей Вселенной.  
   Ещё один необщепринятый принцип - антропный принцип, у которого есть две формулировки: слабая, согласно которой Вселенная такова, какой мы её наблюдаем, потому, что в противном случае нас, как наблюдателей, в ней бы небыло; и сильная, согласно которой эволюция Вселенной происходила именно таким образом, чтобы мы могли в ней появиться.

 Исследование красного  смещения линий в спектрах  галактик и квазаров показало, что все объекты во Вселенной  удаляются друг от друга со  скоростью, пропорциональной расстоянию  между ними: тоесть если один  объект находится от нас вдое  дальше другого, то и удаляется  он со скоростью, вдвое большей.  Коэффициент пропорциональности  называют постоянной Хаббла (Н₀). Её современное значение оценивается от 50 до 100 км/с на 1 Мпк. Это означает, что при увеличении расстояния на один мегапарсек скорость удаления возрастает на 50-100 км/с.

Точность постоянной Хаббла определяется надёжностью шкалы  расстояний галактик, которая пока ещё недостаточно высока. В настоящее  время большие надежды возлагаются  на исследования взаимодействия трёхградусного реликтового излучения с межгалактическим газом. Результатом такого взаимодействия является диффузное излучение. Возможно, это позволит уточнить значение Н₀, независимо от расстояний до галактик. Другой способ независимого определения Н₀ сосотоит в исследовании нескольких изображений одного и того же квазара, создаваемых эффектом гравитационной линзы. У квазара с переменным блеском различие в длине траекторий лучей света у разных изображений приводит к тому, что изменения блеска двух изображений оказываются сдвинутыми во времени друг относительно друга. Определив этот временный сдвиг, можно с высокой точностью оценить расстояние до квазара.