Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

1. 5. Специальная и  общая теория относительности  А. Эйнштейна.

   Еще в классической механике  был известен принцип относительности  Галилея: «Если законы механики  справедливы в одной системе  координат, то они справедливы  и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой». Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только не вынуждено изменить его под влиянием движущих сил».

   В начале XX в. выяснилось, что принцип относительности справедлив также в оптике и электродинамике, т.е. в других разделах физики. Принцип относительности расширил свое значение и теперь звучал так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Или: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.

   После того как физики отказались  от представления о существовании  эфира как всеобщей среды, рухнуло  и представление об эталонной  системе отсчета. Все системы  были признаны равнозначными,  и принцип относительности стал  универсальным. Относительность  в теории относительности означает, что все системы отсчета одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущества перед другими (относительно которой эфир был неподвижен).

   Переход от одной инерциальной  системы к другой осуществляется  в соответствии с преобразованиями Лоренца. Однако экспериментальный данные о постоянстве скорости света привели к парадоксу, для разрешения которого понадобилось введение принципиально новых представлений.

   Пытаясь преодолеть возникшие трудности, в 1904 г. Х. Лоренц предложил считать, что движущиеся тела сокращаются в направлении своего движения (причем коэффициент сокращения зависит от скорости тела) и что в различных системах отсчета измеряются кажущиеся промежутки времени. Но в следующем году А. Эйнштейн истолковал кажущееся время в преобразованиях Лоренца как истинное.

   Как и Галилей, Эйнштейн использовал  мысленный эксперимент, который  получил название «поезд Эйнштейна»: «Представим себе наблюдателя,  едущего в поезде и измеряющего  скорость света, испускаемого  фонарями на обочине дороги, т.е. движущегося со скоростью с в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью v. По классической теореме сложение скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распространяющемуся в направлении движения поезда, скорость c-v…». Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.

   Рассматривая это противоречие, Эйнштейн предложил отказаться от представления об абсолютности и неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит здравому смыслу и тому, что Кант называл условиями созерцания, поскольку мы не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и никакого времени, кроме одномерного. Но наука совсем не обязательно должна следовать здравому смыслу и неизменным формам чувствительности. Главный критерий для неё – соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяет этому критерию и была принята. В свое время и представление о том, что Земля круглая и движется вокруг Солнца тоже казались противоречащими здравому смыслу и наблюдению, но именно они оказались справедливыми.

   Найденное Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название ПРИНЦИПА ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШЕЙНА. Понятие относительности стало одним из основных в современном естествознании.

   В специальной теории относительности  свойства пространства и времени  рассматриваются без учета гравитационных  полей, которые не являются  инерциальными. Общая теория относительности  распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе неинерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила ньютонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения. «Схематически мы можем сказать: переход от ньютонова закона тяготения в общей относительности до некоторой степени аналогичен переходу от теории электрических жидкостей и закона Кулона к теории Максвелла» (А. Эйнштейн, Л. Инфельд). И здесь физика перешла от вещественной к полевой теории.

   Три века физика была механистической  и имела дело только с веществом.  Но «уравнения Максвелла описывают  структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является  все пространство, а не одни  только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов». Представление о поле победило механицизм. Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связывают события здесь с условиями там. После здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент только что протекший» (А. Эйнштейн, Л. Инфельд). Это существенно новый момент полевой картины мира. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света в пространстве и аналогичным образом действует гравитационное поле.

   Массы, создающие поле тяготения,  по общей теории относительности,  искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от  распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжения, имеющихся в телах, от электромагнитного и всех других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяется в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.

   При переходе к космическим  масштабам геометрия пространства  перестает быть эвклидовой и  изменяется от одной области  к другой в зависимости от  плотности масс в этих областях и их движения. В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения метагалактики. При скоростях, приближающихся к скорости света, при сильном поле пространство приходит в сингулярное состояние, т.е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микромиром и во многом оказывается аналогичным ему. Классическая механика остается справедливой как предельный случай при скоростях, намного меньших скорости света, и массах, намного меньших масс в мегамире.

   Теория относительности показала  единство пространства и времени,  выражающееся в совместном изменении  их характеристик в зависимости  от концентрации масс и их  движения. Время и пространство  перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникало представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

   Теория относительности связала  также массу и энергию соотношением  E=MC², где C- скорость света. В теории относительности «два закона- закон сохранения массы и сохранения энергии – потеряли свою независимую друг от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом сохранения энергии или массы» (В. Гейзенберг). Явление аннигиляции, при котором частица или античастица взаимно уничтожают друг друга, и другие явления физики микромира подтверждают данный вывод.

   Итак, теория относительности основывается  на постулатах постоянства скорости  света и одинаковости законов  природы во всех физических  системах, а основные результаты, к которым она приходит, таковы: относительность свойств пространства-времени; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс (следствие отмеченного еще Галилеем, что все тела, независимо от их состава и массы, падают в поле тяготения с одним и тем же ускорением).

   До XX в. были открыты законы функционирования вещества (Ньютон) и поля (Максвелл). В XX в. неоднократно предпринимались попытки создать единую теорию поля, в которой соединились бы вещественные и полевые представления, которые, однако, оказались безуспешными.

2. 14. Вселенная, её происхождение и строение, эволюция вселенной.

   С точки зрения современной  науки Вселенная -  это окружающая нас часть материального мира, доступная наблюдению. Вселенная содержит разнообразные типы объектов, различающиеся размерами и массой, - от элементарных частиц, атомов и молекул в малых масштабах до планет, звезд, галактик, скоплений галактик и дисперсионного вещества (газа, пыли) в больших масштабах, а также физические поля (гравитационное, электромагнитное и др.).

   Астрономия как наука о строении  и развитии космических тел  и всей Вселенной включает  два раздела: космогонию и космологию. Космогония – учение о происхождении и эволюции космических тел и их систем (планет Солнечной системы в целом, звезд, галактик и т.д.). Космология – учение о Вселенной как целом, основанное на исследовании той её части, которая доступна для астрономических наблюдений. Теоретическим фундаментом современной космологии является общая теория относительности и квантовая теория поля.

   Первой космической моделью Вселенной  принято считать модель, созданную  в 1917 году А. Эйнштейном на  основе теории гравитации. Эйнштейн  вслед на Ньютоном считал, что  звезды по отношению друг к  другу находятся в стационарном положении. Но объяснить такое положение звезд одними силами тяготения затруднительно. Поэтому Эйнштейн модифицировал общую теорию относительности, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную, которая должна была в математической форме отобразить наличие сил отталкивания, природа которых оставалась неясной. Фактически он ввел новую «антигравитационную» силу, которая в отличии от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статичной. Данная модель, характеризующая статическую Вселенную, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

   Важный шаг в направлении решения  космологических проблем сделал  в 1922 году профессор Петроградского  университета А.А. Фридман (1888-1925). Изучая уравнения общей теории относительности Эйнштейна, Фридман показал, что они приводят к гравитационной неустойчивости Вселенной, т.е. Вселенная не может находиться в стационарном состоянии. В зависимости от средней плотности вещества и излучения во Вселенной возможно три модели ее эволюции, получившие название моделей Фридмана.

   В первой модели, открытой самим  Фридманом, предполагается, что масса  вещества и излучения во Вселенной  больше некоторой критической.  Тогда в соответствии с общей  теорией относительности Вселенная должна расширяться, причем скорость расширения оказывается небольшой, что позволяет за счет работы сил гравитационного притяжения между различными космическими объектами замедлять расширение Вселенной до его полного прекращения. После этого космические объекты начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься.

   Во второй и третьей моделях,  когда масса вещества и излучения  во Вселенной равна и меньше  критической соответственно, Вселенная должна неограниченно расширяться.

   Следующий важный шаг в познании строения Вселенной был сделан в 1924 году, когда американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) показал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует много других галактик (четко ограниченны, гравитационно связанных звездных систем, расположенных вне нашей Галактики, в то время называемых туманностями), разделенных огромными областями пустого пространства.

   Основываясь на модели расширяющейся  Вселенной, бельгийский аббат  и ученый Ж. Леметр в 1927 году показал, что в прошлом, когда Вселенная имела минимальные размеры, плотность вещества Вселенной достигала 10⁹³ г/см³. Вещество в таком сверхплотном состоянии было названо Леметром протоатомом, а его состояние - сингулярным (от. англ. singularity- оригинальность, своеобразие). По каким-то причинам протоатом оказался в неустойчивом состоянии и взорвался, что явилось причиной расширения Вселенной, основанная на предположении о взрыве проатома, получила название концепция Большого взрыва.

   В 1929 году Хаббл по красному  смещению спектральных линий в спектре излучения галактик обнаружил, что расстояния между галактиками все время увеличивается. Это означало, что теоретический вывод Фридмана о расширении Вселенной получил экспериментальное подтверждение. Хаббл установил эмпирический закон, согласно которому скорость удаления галактики v прямо пропорционально расстоянию r до неё: