Модель расширяющейся Вселенной

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:

1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность);

2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.

 Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

 Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься.

Экспериментальное подтверждение–

Открытие американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

7. Организация материи на физическом уровне:

Вещество

Вещество - это дискретное информационно-энергетическое воплощение материи. Вещество представлено различными формами проявления материи в виде дискретных частиц, обладающих массой покоя. Вещество имеет дискретную структуру, но своим происхождением оно обязано непрерывной материи. Дискретность является главным признаком вещества. Вещество можно представить следующей обобщенной формулой:

Вещество = Материя(М)+Энергия(E)+ Информация(I)

Таким образом, вещество представляет собой составную сущность, в которой материя является лишь одной из составляющих. Информационная составляющая наделяет вещество важнейшим признаком - дискретностью. Энергия проявляется как масса покоя.

Поле

Поля физические - это энергонасыщенное состояние материи. Примерами полей физических могут служить электромагнитное поле, гравитационное поле, поле ядерных сил. Существуют поля, порождаемые частицами и свободные поля ( например, электромагнитные волны). Поле можно представить следующей обобщенной формулой [6]:

Поле = Материя(М)+Энергия(Е)

Таким образом, поле представляет собой составную сущность, в которой материя является лишь одной из составляющих. Другой составляющей является энергия.

Физический вакуум

Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является абсолютной пустотой.

Элементарные частицы:

Основные характеристики элементарных частиц: масса, заряд, спин, время жизни

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения.

Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Важная характеристика частицы - спин. Он также всегда кратен некоторой фундаментальной единице, которая выбрана равной Ѕ . Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ , а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3 / 2 , 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360° . Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота (180° ). Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их вообще не существует. В зависимости от спина, все частицы делятся на две группы:

· бозоны - частицы со спинами 0,1 и 2;

· фермионы - частицы с полуцелыми спинами (Ѕ ,3 / 2 )

Частицы характеризуются и временем их жизни.

Классификации

- по массе покоя:

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных элементарных частиц (Z -частицы) обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона.

- по времени жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино и их античастицы) и нестабильные (свободный нейтрон, резонансы)

Частицы характеризуются и временем их жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы - это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы - нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 1 0 n сек (где n = - 2 3 ).

- по силам взаимодействия 

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы - переносчики взаимодействий.

8. Фундаментальные взаимодействия:

■ Гравитационное взаимодействие- выступает в виде взаимного притяжения тел. Оно имеет универсальный характер, являясь как дальнодействующим, так и близкодействующим. В повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия очень заметна. Оно определяет динамику планет солнечной системы и др. мега объектов.

Гравитация – это самое слабое из всех остальных взаимодействий (сила электростатического отталкивания электронов в 1040 раз больше силы их гравитационного притяжения). Это взаимодействие, однако, (как и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Скорость распространения гравитационного взаимодействия не должна превышать скорость света, т.е. 300 тыс. км/с. Гравитация замедляет ход времени и может остановить его ход.

Сила гравитации известна с незапамятных  времён. Так, в древнейших космологиях, пуранах, гравитация называется энергией «ананта», которая поднимается с низшей части Вселенной и распределяется в качестве поля. В классической физике гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Ньютон открыл формулу, связывающей массу гравитирующих тел и силу, с которой они притягиваются. Масса тела является мерой инертности, количества вещества и тяготения. Причины невесомости заключаются в: равенстве «0» суммы всех сил, действующих на тело; отсутствии или очень слабой гравитации; движении с ускорением в гравитационном поле.

Современной науке природа гравитации до сих пор неясна. Несмотря на то, что сейчас принята теория гравитационного взаимодействия, разработанная в общей теории относительности А. Эйнштейна, физики постоянно ведут поиски альтернативных моделей гравитации, т.к. это взаимодействие отличается от всех других (остальные взаимодействия описываются квантовыми полевыми теориями). ОТО связывает гравитацию с геометродинамическими свойствами пространственно-временного континуума (поле тяготения создает искривление пространства тем больше, чем больше тяготеющая масса). В квантовой теории, квантами поля тяготения являются гравитоны, которые переносят энергию, обладают импульсом и другими характеристиками. Гравитационное взаимодействие в микромире при расстояниях порядка 10-13 см может не учитываться, однако при расстояниях порядка 10-33 см начинают проявляться особые свойства физического вакуума – виртуальные сверхтяжелые частицы окружают себя гравитационным полем, искажающим геометрию пространства.

■ Электромагнитное взаимодействие- существует как в микро, так и в макро мире и выступает как отталкивание между зарядами одного знака и притяжение между зарядами противоположных знаков. Оно определяет возникновение атомов, молекул и макроскопических тел. Это взаимодействие, которое отвечает за химические свойства вещества. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее сильного взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие - обеспечивает связь электронов с ядрами, атомов в молекулах. Оно обладает бесконечно большим радиусом действия. Электромагнитное взаимодействие определяет давление света. Оно связано с законом Кулона о взаимодействии точечных зарядов. Квантовые свойства света были открыты А. Эйнштейном. Масса покоя квантов света равна нулю.

Электрические заряды и токи создают магнитное поле. Магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды и электрические токи. На неподвижные электрические заряды магнитное поле не действует.

Сфера действия электромагнитного взаимодействия очень широка. В зависимости от длины волны различают следующие излучения (в порядке возрастания): 1) рентгеновское, 2) ультрафиолетовое, 3) видимый свет, 4) инфракрасный, 5) радиодиопазон. Энергия квантов электромагнитного излучения возрастает в другой последовательности: 1) радиодиапазон, 2) видимое излучение, 3) ультрафиолетовое, 4) рентгеновское, 5) гамма-диапазон.

В УИС применяется радиолучевое средство обнаружения «Пион», принцип действия которого основан на регистрации изменений параметров электромагнитного поля, созданного передатчиком и образующего зону обнаружения, при вторжении в эту зону нарушителя.

Электрические импульсы высокого напряжения и малого тока вызывают у человека нелетальный отражающий шок. Этот принцип используется в электризуемых заграждениях отталкивающего воздействия. Использование таких систем значительно повышает надежность охраны объектов.

■ Слабое взаимодействие- обеспечивает переход между разными типами кварков, в частности, определяет распад нейтронов, известный также как β-распад; вызывает взаимные переходы между различными типами лептонов. За счет слабого взаимодействия светят звезды (протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино). Слабое взаимодействие действует только в микромире и описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений. Слабое взаимодействие слабее электромагнитного, но намного сильнее гравитационного. Его радиус действия очень мал. Слабое взаимодействие описывается теорией слабого взаимодействия, созданной в 1967 г. С. Вайнбергом и А. Саламом.

■ Сильные взаимодействия- обеспечивает сильную связь протонов и нейтронов в ядрах атомов, кварков в нуклонах и определяет ядерные силы. Оно описывается теорией сильных взаимодействий (квантовой хромодинамикой). В сильном взаимодействии участвуют адроны и их взаимодействие дает большой выход энергии при ядерных реакциях. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное примерно в 100 раз, его радиус действия очень мал, около 10–15 м. Лептоны (например, электроны) не участвуют в сильном взаимодействии.

Все силы в природе описываются на сегодняшний день четырьмя видами взаимодействий.

В ядерных взаимодействиях определяющими являются сильное и слабое взаимодействие.

Доказано, что при энергии 100 ГэВ (100 млрд эВ) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10-10с после Большого взрыва и она в 4 триллиона раз выше комнатной температуры.

Более высокую энергию невозможно получить экспериментально. Здесь исследователи вынуждены обратится ко Вселенной как к гигантскому ускорителю. Теория Великого Объединения утверждает, что при энергии порядка 1015 ГэВ можно достичь объединения с ними сильных взаимодействий, а при энергии 1019 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие. Объединению всех видов взаимодействия называется Теорию Всего Сущего.

9. Порядок и беспорядок в природе. Динамические и статистические теории:

Динамические теории - это теории, представляющие совокупность динамических законов. Динамические теории: классическая механика; классическая теория излучения; релятивистская механика.

Динамический закон – это закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний.

Статистические теории - это теории, представляющие совокупность статистических законов. Статистические теории: квантовая механика; квантовая теория излучения (квантовая электродинамика); релятивистская квантовая механика.

Статистический закон – это закон, управляющий поведением больших совокупностей и в отношении отдельного объекта, позволяющий делать лишь вероятностные выводы о его поведении.

Первый закон термодинамики -Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), во-первых, утверждает существование качественных видов энергии (потенциальной, кинетической, механической, тепловой, электромагнитной и т.д.) и присущую им способность при определенных условиях превращаться друг в друга; во-вторых, указывает, что в любых процессах, происходящих в замкнутых системах (т.е. системе, не обменивающейся ни веществом, ни энергией с окружающим миром), численное значение энергии остается постоянным во времени, т.е. невозможность ее исчезновения или возникновения.

Количественная формулировка первого начала термодинамики: количество теплоты (Q), сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии DU и на совершение телом работы А (Q =DU+А).

Потенциальная и кинетическая энергия переходят друг в друга при движении тел в поле силы тяжести, в колебательном движении тел, например, при колебании маятника. В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия превращается в тепловую и кинетическую энергию.

Закон сохранения механической энергии проявляется при движении тел в поле тяжести, падении тел в поле тяжести, при упругом соударении тел, в свободном колебательном движении тел (движение маятника), аннигиляции.

Если закон сохранения энергии выполняется во всех химических процессах, во всех явлениях природы, то закон сохранения иногда выполняется точно, а иногда приблизительно. Например, в химии масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Однако в физике, электрон и позитрон, каждый из которых обладает массой, могут аннигилировать в фотоны, не имеющие массы покоя.

В термоядерных реакциях выполняются закон сохранения электрического заряда, закон сохранения энергии, закон сохранения лептонного заряда, закон сохранения адронного заряда. Закон сохранения энергии и закон сохранения импульса регламентируют превращение вещества в поле и наоборот.

Первый закон термодинамики отрицает возможность вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Вечный двигатель первого рода предполагает работу без извлечения энергии из окружающей среды. Нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу больше подводимой к ней извне энергии.

Второй закон термодинамики –Закон рассеяния энергии. Всякая система стремится перейти к состоянию термодинамического равновесия, в котором тела обладают одинаковыми температурами и давлением. Все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Это приводит нас ко второму началу термодинамики: тепло не может само собой переходить от холодных тел к более нагретым; или тепловая энергия равномерно распределяется между всеми телами, и всякие тепловые процессы в любой системе полностью прекращаются. Эго приводит к тепловой смерти системы. Данное утверждение справедливо для замкнутых систем. Этот закон характеризует рост энтропии во времени.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии – теплоты (связанной с неупорядоченным движением) и работы (связанной с упорядоченным движением). Неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную форму энергии. Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия. Энтропия (мера рассеяния энергии) – это функция состояния системы, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой системе. В замкнутой системе энтропия стремится к максимуму.

Направление тепловых процессов определяется законом возрастания энтропии: энтропия замкнутой системы может только возрастать; максимальное значение энтропии замкнутой системы достигается в равновесии: DS ≥ 0 (где S – энтропия). Приведенное утверждение считается количественной формулировкой второго закона термодинамики.

Высококачественные формы энергии: механическая, электрическая,

Низкокачественная форма энергии: теплота

Энтропия  -  термодинамическая характеристика состояния системы, определяющая меру ее неупорядоченности (беспорядка); в теории информации определяет меру неопределенности сообщения; согласно второму закону термодинамики, в изолированной системе энтропия не может убывать, т.е. в сложной системе, предоставленной самой себе, беспорядок только растет.

Энтропия как измеряемая физическая величина (приведенная теплота) - физическая величина, определяющая меру хаоса (беспорядка) в изолированной системе (как правило, в термодинамических системах); мера внутренней неупорядоченности системы, она остается либо постоянной (для обратимых процессов), либо возрастает (для необратимых процессов). Принимает только положительные значения. Понятие энтропии введено в науку немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в 1865 году.

Энтропия

мера молекулярного беспорядка

мера некачественности энергии

Синергетика - Синергетика – это наука о самоорганизации сложных систем, о превращении хаоса в порядок. Развитие синергетики идет по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И.Р. Пригожин) и др.

Синергетика как составляющая научной картины мира сформулировала основную тенденцию развития в Природе: создание более сложных систем из более простых; определила основные принципы эволюции материальных систем. Синергетика подтвердила положение теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии; объясняет образование макросистем (вещества). Синергетика отражает процесс творчества Природы: создание новых структур в природных системах; образование новых систем и т.п. Идеи синергетики носят междисциплинарный характер. Они являются основой совершающегося в естествознании глобального эволюционного синтеза.

Основные идеи синергетики:

– Процессы эволюции и деградации, разрушения и созидания равноправны. Хаос не только разрушителен, но и созидателен. Развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

– Процессы созидания (упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы, специфики и характера систем, в которых они осуществляются.

– Эволюция большинства сложных систем носит нелинейный характер, т.е. для такого типа систем всегда существует несколько возможных вариантов развития. Возникновение структур нарастающей сложности не случайность, а закономерность. Случайность встроена в механизм эволюции.