Лекции по КСЕ

24. Звезды, их эволюция 

   Звезды  находятся в плазменном состоянии. Они разогреты до миллионов градусов. Внутри звезд происходит термоядерная реакция. Зыезды-это фабрики элементов. В звездах действует гравитация и термоядерная реакции. Пока эти процессы уравновешены-звезда живет. Звезды содержат 99% всей вселенной, их количество – 10в 22 степени. Температура звезд достигает миллиарда градусов. Яркость некоторых звезд достигает миллиона солнц. Плотность некоторых звезд достигает 100 млн. тонн на см3. Ближайшая после солнца звезд-Альфа-центавра, до нее 3 световых года. Звезды образуются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил. Под влиянием сил всемирного тяготения из газового облака образуется плотный шар — протозвезда. Преобразование протозвезды в звезду растягивается на миллионы лет, что сравнительно немного по космическим меркам. Молодые звезды (около 100 тыс. лет) существуют за счет энергии гравитационного сжатия, которая разогревает центральную область звезды до температуры порядка 10-15 млн С и «запускает» термоядерную реакцию преобразования водорода в гелий. Именно термоядерная энергия является источником собственного свечения звезд. В результате преобразования водорода в гелий в центральной зоне образуется гелиевое ядро. Кроме этого в процессе ядерных реакций возникают и другие химические элементы. На той стадии, когда ядерные реакции уже не могут поддерживать устойчивость звезды, ее гелиевое ядро начинает сжиматься. При этом внутренняя температура звезды увеличивается, а периферийная зона, или внешняя оболочка, сначала расширяется, а затем выбрасывается в космическое пространство. Звезда превращается в красный гигант. В процессе дальнейшего охлаждения, если звезда имела небольшую массу, она ревращается в белого карлика — стационарный космический объект с очень высокой плотностью. Белые карлики представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд, в которых весь водород «выгорает», а ядерные реакции прекращаются. Свечение белого карлика происходит за счет его остывания. Тепловая энергия белого карлика продолжает иссякать, вследствие чего звезда меняет свой цвет сначала на желтый, а затем на красный. Постепенно она превращается в небольшое холодное темное тело, становится черным карликом. Если какие-то причины останавливают гравитационное сжатие, то происходит взрыв старой звезды, который сопровождается выбросом огромного количества вещества и энергии. Такой взрыв называют вспышкой сверхновой. Часть массы взорвавшейся сверхновой может продолжить существование в виде черной дыры. Черная дыра — область пространства, в которой сосредоточены огромные массы вещества, вызывающие сильное поле тяготения. Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может продолжить существование в виде нейтронной звезды, или пульсара. 

   25. Галактики. Космические  расстояния 

   Галактики — гигантские скопления звезд, пыли и газа, пронизанные магнитными полями и космическими лучами. Самой близкой к нам галактикой, расположенной на расстоянии 1,5 млн световых лет, является туманность Андромеды. Самой исследованной является Местная группа галактик, в которую входят наша Галактика (Млечный путь) и туманность Андромеды. Наиболее распространенной является спиральная форма галактик. К этому типу относятся наша Галактика, а также туманность Андромеды. В галактиках спиральной формы находятся наиболее горячие звезды и массивные облака космического газа. Считается, что в некоторых галактиках ядро представляет собой черную дыру. Так, в центре ядра нашей Галактики находится скопление звезд с сильным радиоисточником, который называют Стрелец А. Предполагается, что Стрелец А является черной дырой с массой, примерно равной миллиону солнечных масс. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями (электромагнитными, гравитационными, потоками нейтрино и субатомных частиц). Основное вещество, составляющее межзвездный газ — водород, на втором месте — гелий. Наша Галактика — Млечный путь — имеет форму диска с выпуклостью в центре — ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. Солнечная система расположена в одном из рукавов. Млечный путь насчитывает около 200 млрд звезд. Возраст нашей Галактики около 15 млрд лет. Квазары-звездные объекты- это последнее, что видно во вселенной. асстояние до них более 10 млрд. световых лет. Свойства Галактики- постоянное расширение, т.е Квазары улетают от нас со скоростью 50 т. км/с., расширение идет с замедлением- чем дальше, тем медленнее, т.е. это может длиться бесконечно. Вселенная однородна, одинакова во всех направлениях. Во вселенной нет центра. Вселенная безгранична, но конечна. Центр вселенной находится там, где находится наблюдатель. А.Е.-астрономическая единица. С.Г.- световой год-расстояние, за которое луч света проходит в течении года. Парсек-3 световых года. 

   26. Метагалактика и  Вселенная 

   Метагалактика — это доступная наблюдениям  часть Вселенной. Метагалактика представляет собой упорядоченную систему галактик. Метагалактика постоянно расширяется, т.е. наша Вселенная нестационарна. Метагалактика имеет сетчатую (ячеистую) структуру, т.е. галактики распределены в ней не равномерно, а вдоль определенных линий — как бы по границам ячеек сетки. Такое строение свидетельствует, что в небольших объемах Метагалактика неоднородна. Гипотеза «множественности вселенных» допускает существование множества миров, образовавшихся в результате Большого Взрыва. Эти вселенные различаются своими физическими свойствами, типом организации, нестационарности и т.п., и в силу этого мы не можем их наблюдать. Тем не менее предполагается, что разные вселенные связаны друг с другом неизвестным пока способом. Есть гипотеза, что Метагалактика не есть вся Вселенная, а лишь ее часть. Если это «эмпирически» подтвердится, то «масштаб» человека и ценность его существования могут подвергнуться новой радикальной переоценке, что, возможно, скажется через опосредствующие институты (средства коммуникации, культура и т.д.) на всем мировоззрении точно так же, как в свое время сказался поворот Коперника, последствия которого едва ли вообще поддаются полному объяснению.  

   27. Эволюция вселенной.  Физический вакуум. Закон Хабба 

   Исходя  из того, что Вселенная расширяется 15 млрд. лет, то естественно, что 15 млрд. лет назад она была 0. Эта точка называется сингулярностью. –t=0, M приблизительно = 10 в 93 степени – это точка начала жизни вселенной. Физический вакуум-такое состояние пространства, в котором количество частиц = 0. В физическом вакууме времени нет. В физическом вакууме произошла флуктуация (возмущение). Теорию большого взрыва разработал Гамов. После взрыва следует расширение. Дальше последовали этапы эволюции.Этапы эволюции Вселенной называются эрами. Адронная эра: длительность 10~7 с, температура Вселенной составляет 1032 К. Главными действующими лицами являются элементарные частицы, между которыми осуществляется сильное взаимодействие. Вселенная представляет собой разогретую плазму. Лептонная эра: длительность 10 с, температура Вселенной 1015 К. Главные действующие лица— лептоны (электроны, позитроны и др.). Эра излучения: длительность 1 млн лет, температура Вселенной 10 000 К. В это время во Вселенной преобладало излучение, а вещество было ионизированным. Эра вещества: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной и темной, образуется вещество. В начале этой эры возникают первые протозвезды и протогалактики. Излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться по Вселенной. Именно эти фотоны и нейтрино, остывшие до 3 К, наблюдаются сейчас в виде реликтового излучения. Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» в спектрах удаленных галактик. «Красное смещение» означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. Т.е. если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая частота излучений уменьшается, а длины волн увеличиваются, линии видимого спектра смещаются в сторону более длинных красных волн. Оказалось, что «красное смещение» пропорционально расстоянию до источника света. Исследования Э. Хаббла подтвердили, что удаленные от нас галактики разбегаются, т.е. Вселенная находится в состоянии расширения, а значит нестационарна. Другим важным экспериментальным свидетельством в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной стало открытие реликтового излучения — слабого радиоизлучения, свойства которого являются в точности такими, какими они должны были быть на этапе горячей, взрывной Вселенной. 

   28. Жизнь и разум  во вселенной.  Опасность Космоса 

   Большинство современных астрономов и философов считают, что жизнь — распространенное явление во Вселенной и существует множество миров, на которых обитают цивилизации. Уровень развития некоторых внеземных цивилизаций может быть неизмеримо выше уровня развития земной цивилизации. Именно с такими цивилизациями землянам особенно интересно установить контакт. На развитие мнения о множестве цивилизаций повлияло несколько аргументов. Во-первых, в метагалактике есть огромное число звезд, похожих на наше Солнце, а, следовательно, планетные системы могут существовать не только у Солнца. И более того исследования показали, что некоторые звезды определенных спектральных классов вращаются медленно вокруг своей оси, что может быть вызвано наличием вокруг этих звезд планетных систем. Во-вторых, при соответствующих условиях жизнь могла возникнуть на планетах других звезд по типу эволюционного развития жизни на Земле. Молекулярные соединения, необходимые для начальной стадии эволюции неживой природы, достаточно распространены во Вселенной и открыты даже в межзвездной среде. Продолжаются споры о реальности внеземных цивилизаций, но лишь дальнейшие наблюдения и эксперименты позволят выяснить, существуют ли где-нибудь обитаемые миры или мы одиноки, по крайней мере, в пределах нашей Галактики. Поиск разума сводится к радиоконтакту.  

   29. Строение атома 
 

   Резерфорд предложил следующую схему строения атома. В центре атома находится  положительно заряженное  ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются  электроны. Возникающая при их вращении центробежная  сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствии этого остаются на определенных расстояниях от ядра. Как масса электрона  ничтожна мала, то почти вся масса сосредоточена в его ядре. 

   30. Понятие кванта. Формула  Планка 

   В 1900 г. немецкий физик М. Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями — квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Теория М. Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж. Максвелла (2.3). Эксперименты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовместим с представлениями классической физики. Теория М. Планка положила начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в микромире.

   При переходе электрона из одного состояния  в другое, испускается фотон, частота  которого определяется формулой v=E1-Ek/h 

   31. Принцип неопределенности. Поведение квантовых  объектов 

   Вернер  Гейзенберг математически выразил  принцип неопределенности. Оказалось, что не только координату, но и импульс  частицы невозможно точно определить. Согласно этому принципу, чем точнее определяется местонахождение данной частицы, тем меньше точности в определении ее скорости и наоборот. 

   32. Атомизм. Континуальность и Дискретность  

   Левкипп и Демокрит сформулировали понятие  об атомах. Существенный вклад в  атомистику был сделан А. Лавуазье, опубликовавшим в 1789 г. “Начальный учебник химии”, в кот. он ряд элементов назвал “простыми”, т. е. не разлагавшимися. И, наконец, в начале XIX в. атомистика стала теорией, важнейшей для познания химических явлений благодаря исследованиям Дальтона и Берцеллиуса. Именно Дальтон в 1824 г. дал название “атом” наимельчайшей частице “простого” вещ-ва. С этого момента химия встала на научную основу, хотя многое в ней не было осознано до тех пор, пока Д. И. Менделеев в 1869 г. не разработал свою знаменитую Периодическую таблицу элементов. В 1834 г. М. Фарадей провел серию исследований с целью выяснить природу того, что называли электричеством. Результаты исследований свойств электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома. В модели, предложенной Томсоном в 1903 г. атом представлялся в виде положительно заряженной сферы. Неожиданный результат опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц атомами показал, что внутри атома существует очень малое по размеру плотное положительно заряженное ядро. В связи с этим Резерфорд предложил принципиально новую модель атома, напоминающую по своему строению Солнечную систему и получившую название планетарной. Она имеет следующий вид. В центре находится положительно заряженное ядро, размеры которого составляют примерно 10^-12 см, размеры же атома 10^-8 см. Вокруг ядра движутся электроны подобно планетам вокруг солнца. Эта модель атома Резерфорда, дополненная постулатами Бора, явилась основой всей атомной физики и существует до настоящего времени. Атомная физика была развита методами квантовой механики. Согласно квантовой механике электрон распространен во всем пространстве, хотя действует как единое целое. Устойчивые движения электрона в атоме, соответствуют стоячим волнам, амплитуды которых в разных точках различны. Дискретность-прерывность. Континуальность-непрерывность. 

   33. Элементарные частицы 

   Элементами  структуры микромира выступают  микрочастицы. На данный момент известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик. Масса элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона. Частицы с нулевой массой покоя движутся со скоростью света (фотон). По массе элементарные частицы делятся на тяжелые (барионы), промежуточные (мезоны) и легкие (лептоны). Заряд элементарной частицы всегда кратен заряду электрона (—1), который рассматривается в качестве единицы. Существуют, однако, элементарные частицы, которые не имеют заряда, например, фотон. Спин элементарной частицы — это собственный момент импульса частицы. В зависимости от спина, частицы делятся на две группы: с целым спином (О, 1, 2)— бозоны, с полуцелым спином (1/2 и др.) — фермионы. Время жизни элементарной частицы определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы живут несколько микросекунд, стабильные не распадаются длительное время. Нестабильные частицы распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре, в свободном состоянии он также распадается. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансными. Время жизни резонансов — порядка 10—22 с. Все многообразие элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии — адроны, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии — пептоны, и частицы — переносчики взаимодействий. К адронам относятся нейтроны, протоны, барионы, мезоны. Адроны участвуют в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии. К пептонам относятся электроны, нейтрино, мюоны, тау-лептоны, а также электронные нейтрино, моюнные нейтрино, тау-нейтрино. Заряженные лептоны участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействии, нейтральные — только в слабом. Частицы — переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействия. К ним относятся фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны — переносчики сильного взаимодействия, бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Высказывается предположение о существовании гравитонов — частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.