Основные принципы квантовой механики.
Фундаментальные физические теории и частные законы не являются абсолютно точным отображением действительности. Они в большей или меньшей степени соответствуют объективным закономерностям. По мере развития науки, углубления наших знаний менее точные теории сменяются более точными, описывающими те же самые формы движения материи, что и прежние теории, и охватывающие более широкие круги процессов. Именно так происходит, когда динамические теории сменяются статистическими.
Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. И эти границы устанавливаются весьма строго и точно, особенно если открыта более глубокая теория, описывающая те же самые процессы. Например, классическая механика Ньютона правильно описывает движение больших тел только в тех случаях, когда скорость движения их много меньше скорости света, что выяснилось только после создания специальной теории относительности и релятивистской механики, справедливой для описания движения тел с любыми скоростями.
Но появление новой теории, например, релятивистской механики, совсем не означает, что старая классическая механика утрачивает свою ценность. Движение макроскопических тел со скоростями намного меньше скорости света всегда будет описываться механикой Ньютона, потому что в этой области скоростей релятивистская механика дает ничтожные поправки, учет которых не имеет смысла.
Здесь мы вплотную подходим к принципу соответствия, утверждающему преемственность физических теорий. Этот принцип был в явной форме сформулирован Н. Бором в 1923 г. Идея Бора состояла в том, что поскольку законы классической механики подтверждаются с большой точностью в широкой области явлений, то следует считать, что и новая, более точная теория в применении к этим явлениям должна давать те же результаты, что и механика Ньютона. Никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.
В общей форме этот принцип формулируется так: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы этих старых теорий.
Принцип соответствия представляет собой конкретное выражение в физике диалектики соотношения абсолютной и относительной истин. Каждая физическая теория - ступенька познания - является относительной истиной. Смена физических теорий - это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогда полностью завершен изза бесконечной сложности, бесконечного разнообразия окружающего нас мира.
Одновременно принцип соответствия выражает объективную ценность физических теорий. Новые теории не отрицают старых именно потому, что старые теории с определенной степенью приближения отражают объективные закономерности природы.
Еще один физический принцип - принцип дополнительности - возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира.
В ряде экспериментов электрон и другие элементарные частицы обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойства частиц. Любое устройство для детектирования микрообъектов всегда регистрирует их как нечто целое, локализованное в очень малой области пространства.
С другой стороны, при движении все микрочастицы обнаруживают типичные волновые свойства. Наблюдается интерференция (наложение волн друг на друга) и дифракция (огибание волнами препятствий) частиц на кристаллических решетках или искусственно созданных препятствиях. Электрон и другие частицы ведут себя подобно волнам, огибающим препятствия, и как бы одновременно проходят через несколько щелей дифракционной решетки.
Таким образом, всем микрообъектам присущ корпускулярноволновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким же образом совмещаются эти противоречивые свойства у одного объекта, был дан Н. Бором.
Прежде всего, подчеркивает Бор, нужно ясно осознать, что все приборы, регистрирующие индивидуальные акты в микромире, являются макроскопическими и иными быть не могут, Наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Сам человек - существо макроскопическое. Отсюда следует, что понятия, которыми мы пользуемся для описания явлений, - это макроскопические понятия, в терминах которых описывается работа приборов. Но эти понятия не могут быть полностью применены к микрообъектам, так как их поведение не подчиняется законам классической механики.
Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частиц и волн). Только совокупность таких понятии дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.
Принцип дополнительности является результатом философского осмысления новой необычной физической теории - квантовой механики. Он выражает на макроскопическом уровне один из основных законов диалектики - закон единства противоположностей.
Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга.
Говоря о частице, мы представляем себе комочек вещества, находящийся в данный момент в определенном месте, обладающий определенной энергией и движущийся со строго определенной скоростью. При этом мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени.
Однако, связывая частицу с волной, мы переходим к образу неограниченной синусоиды, простирающейся во всем пространстве. И понятия «длина волны в данной точке», «импульс в данной точке» просто не могут иметь смысла. Также не имеет смысла понятие энергии частицы в данный момент времени. Дело в том, что согласно формуле Планка, энергия связана с частотой волны, которая характеризует происходящий во времени гармонический колебательный процесс. Утверждение, что электрон лишь приближенно может рассматриваться как материальная точка, означает, что его координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно. Количественно это выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга.
Согласно этому соотношению, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения.
Принцип неопределенности показывает, почему невозможно «падение» электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень малые размеры и при «падении» электрона местоположение последнего оказывается весьма точно определенным. Следовательно, резко увеличивается неопределенность в скорости электрона, разброс в значении скоростей станет весьма большим. В этот разброс будут включаться столь большие скорости, что электрон скорее покинет атом, чем упадет на ядро.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Основные понятия космологии. Эволюция представлений об устройстве Вселенной.
Любого из нас поражает величественная картина звёздного неба, раскинувшегося от горизонта до горизонта. Душу переполняет чувство трепета перед грандиозностью Мироздания, и невольно возникают вопросы, кто мы, каково наше место во Вселенной, и как она устроена? Те же самые вопросы задавал себе человек на заре цивилизации. В поисках ответа на эти вопросы, не удовлетворяясь мифологическими и религиозными объяснениями, древний человек начинает обращаться к естественнонаучным методам познания. Так постепенно формируется наука об устройстве космоса, Вселенной – космология.
Современное определение космологии звучит следующим образом. Космология – это наука, занимающаяся изучением крупномасштабной структуры и эволюции Вселенной. Изучением происхождения наблюдаемых космических объектов – от Солнечной системы до скоплений галактик занимается раздел космологии, называемый космогонией. Космология занимается поиском ответов на следующие вопросы: когда и как возникла Вселенная, как образовались галактики во всём многообразии их форм и размеров, как рождаются и эволюционируют звёзды, как возникают планеты и жизнь.
Наряду с космологией, исследованием космических тел и космических явлений занимается такая наука как астрономия, но в отличие от первой она не ставит перед собой глобальных целей, не претендует на выявление законов эволюции Вселенной в целом. Астрономия (от греч. «астрон» - звезда и «номос» - закон) первоначально возникла как наука о наблюдаемых на небе звёздах. Сейчас в ХХ веке в связи с развитием технических средств наблюдения и космонавтики она резко расширила границы своего предмета исследования. Различные астрономические дисциплины – астрофизика, астрохимия, астробиология, небесная механика, радиоастрономия и др. исследуют строение и развитие космических тел и систем: планет, звёзд, галактик и т.д., давая эмпирический материал для глобальных обобщений, которыми занимается космология. Сейчас очень трудно провести границу, за которой кончается астрономия и начинается космология.
Что мы знаем об устройстве Вселенной на сегодняшний день? Мы живём на одной из планет Солнечной системы – Земле. Она вращается, как и другие планеты по эллиптической орбите вокруг Солнца. Наш ближайший космический сосед – Луна, спутник Земли, вращающийся вокруг неё на расстоянии 384000 км, что составляет примерно 30 диаметров Земли.
Солнце – это рядовая звезда, по своим характеристикам мало чем примечательная среди миллиардов других звёзд во Вселенной. Она представляет собой раскалённый газовый шар, диаметром в сто раз превышающим диаметр Земли, и массой в 330000 раз большей массы нашей планеты. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет примерно 150 млн. км. В астрономии и космологии эта цифра используется как единица измерения космических расстояний и называется астрономической единицей (а.е.).
Наша Солнечная система – это девять планет со спутниками, кометы, астероиды, космическая пыль и газ. Всё это движется вокруг Солнца под действием силы гравитации. Планеты располагаются в следующем порядке по мере удаления их от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Предполагается, что за Плутоном находится облако комет, и именно оттуда изредка кометы совершают рейды во внутренние области Солнечной системы. Расстояния от планет до Солнца колеблются в пределах от 0,4 а.е. (для Меркурия) до 40 а.е. (для Плутона).
Для определения расстояний за пределами Солнечной системы удобно использовать другую более крупную единицу измерения – световой год. Так как свет обладает наибольшей среди материальных объектов скоростью распространения – 300000 км/с, часто бывает удобно определять расстояния, измеряя затраченное на его прохождение время. От Луны свет дойдёт до нас за 1,3 с от Солнца – за 8,5 мин, а от ближайшей к Солнечной системе звезды Проксимы Центавра свет достигнет нас за 4,2 года. Таким образом, световой год – это расстояние, которое луч света преодолевает за один год. Если перевести в километры, то это будет составлять 9,46 млн. млн. км (9,46*1012 км) или примерно 63240 а.е.
Увеличивая масштабы рассмотрения, мы обнаружим, что Солнце входит в обширную звёздную систему – Галактику, состоящую из более чем 100 млрд. звёзд. На звёздном небе мы можем наблюдать нашу Галактику – это Млечный путь. Диаметр Галактики оценивается примерно в 100000 световых лет, а по форме она похожа на сплюснутый диск. В центре Галактики находится ядро, где плотность распределения звёзд очень высока. На периферии от ядра звёзд меньше, они располагаются более разреженно. Именно там, на расстоянии примерно 30000 св. лет от ядра находится наше Солнце со своими планетами.
Кроме нашей Галактики во Вселенной существуют ещё миллиарды других галактик, имеющих самую различную форму и очертания. В совокупности система всех галактик Вселенной называется Метагалактикой. Галактики группируются в скопления различного размера. К одному из таких скоплений, называемому Местной группой галактик принадлежит наша Галактика. К ней же принадлежит и знаменитая туманность Андромеды – галактика, удалённая от нас на 2200000 св. лет. При идеальных атмосферных условиях её можно наблюдать на звёздном небе невооружённым глазом. При помощи телескопов можно наблюдать галактики, удалённые от нас на 5 млрд. св. лет, а при помощи особо мощных радио телескопов можно обнаружить галактики на расстоянии до 15 млрд. св. лет. Таковы масштабы Вселенной, доступные сегодня для наблюдения, и таковы наши современные представления о структуре мегамира, сложившиеся к концу XX века. Однако далеко не всё, что мы знаем о Вселенной сейчас, было очевидно для человека прошлого. В древности представления об устройстве Вселенной были весьма и весьма примитивными. Прежде чем космология достигла современного уровня, она прошла долгую историю развития. Остановимся на её основных этапах.
Самой ранней формой объяснения небесных явлений и устройства космоса была мифология. Исходя из мифологических представлений, древние люди помещали в центр мироздания Землю, которая рисовалась в сознании разных народов то плоской, то имеющей форму чечевицы. Древним египтянам, например, мир казался большой вытянутой с севера на юг долиной, накрытой гигантской железной крышей, поддерживаемой высокими столбами. В центре долины вдоль берегов реки Нил помещался Египет. Небесные светила и звезды уподоблялись светильникам, подвешенным к небесной тверди.
В Древнем Вавилоне считали, что Земля – это выпуклый остров, возвышающийся над мировым океаном. Небо же казалось им твёрдым куполом, опирающимся на земную твердь, и отделяющим «нижние воды» (океан) от «верхних вод» (дождевых). По куполу небес, как считали вавилоняне, поднимаясь утром из восточных ворот, а вечером, опускаясь в западные, ходит Солнце. Над небом расположено обиталище богов, кроме того, к небу прикреплены звёзды и другие небесные светила.
Религиозное мировоззрение мало что изменило в этой очевидной для обыденного опыта картине мира. На смену мифическим богам, творившим мир из различных субстанций (огонь, вода, земля, воздух, и т.д.), приходит христианский единый Бог, сотворивший мир из ничего, и вновь поместивший в центр мироздания Землю.
Несмотря на обилие фантастических мифологических сюжетов в объяснении происхождения небесных тел, Земли, несмотря на всю их наивность, вместе с тем, постепенно происходит накопление реальных знаний о космосе. Знания эти основывались на тщательных наблюдениях, имеющих целью практическое применение, прежде всего, нужды сельского хозяйства. Древние люди разделили полосу неба вдоль годичного пути движения Солнца на двенадцать частей, и выделили на звёздном небе соответственно двенадцать созвездий, которые были названы древними греками зодиакальными. Название каждого созвездия отражало особенности того сезона, который наступал в момент нахождения Солнца в данном созвездии. Например, когда Солнце входило в знак Водолея, следовало ожидать половодье, когда Солнце переходило в знак Рыб, то это говорило о наступающем нересте. Среди звёзд древние люди выделили пять особых «блуждающих» светил. Римляне в честь своих Богов назвали их Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Характерной их особенностью было то, что через определённый промежуток времени они возвращались на прежнее своё место, совершив полный небесный круг по всем созвездиям Зодиака. Древние астрономы потратили довольно много времени определяя периодичность движения этих небесных тел, получивших название планет. Данные этих наблюдений впоследствии оказали большое влияние на построение первых естественнонаучных моделей устройства Вселенной.
Первой попыткой естественнонаучного подхода к построению системы Мира было космологическое учение древнегреческого ученого Пифагора (ок. 580–500 до н.э.), считавшего, что движение небесных тел должно подчиняться определённым математическим законам. Пифагор полагал, что планеты, Луна и Солнце вращаются вокруг центрального мирового огня. Они жёстко прикреплены к хрустальным сферам, пространство между которыми заполнено воздухом. При движении небесных тел эти сферы издают гармоничные звуки, соответствующие звукам музыкальной гаммы.
В VI веке до н.э. большую популярность приобрело космологическое учение Платона (427347 до н.э.). В его системе планеты двигались по строго круговым, совершенно правильным орбитам вокруг Земли с различными скоростями. Будучи достаточно красивой, эта космологическая модель имела серьёзные недостатки, ибо не учитывала видимое движение планет, которые на фоне звёздного неба иногда отклонялись от прямолинейного движения, и казались движущимися вспять. Понимая всю сложность задачи создания космологической модели Вселенной, Платон чётко сформулировал математическую задачу, которую необходимо решить: как при помощи равномерных и правильных круговых движений описать все видимые на небе перемещения планет. Эту задачу необходимо было решить чисто геометрически, не привлекая в модель посторонних излишних допущений. При этом центральное положение Земли Платоном не подвергалось сомнению.
Первую попытку убедительно объяснить странное поведение планет на звёздном небе предпринял Евдокс Книдский (406–355 до н.э.) – младший современник Платона. Не отказываясь от общепринятой тогда идеи о центральном положении Земли, он допустил, что орбита каждой из планет образуется в результате совместного вращения вложенных друг в друга сфер. Каждая сфера прикреплена полюсами к другой, внешней по отношению к первой, сфере. Эта сфера, в свою очередь, крепится полюсами к следующей, но уже в плоскости другой оси. Введя 33 небесные сферы Евдокс смог объяснить все наблюдаемые в то время движения планет.
Идеи Евдокса были восприняты и развиты Аристотелем (384322 до н.э.), который попытался построить философски обоснованную физическую модель Вселенной. Усложнив схему Евдокса, он вводит дополнительные сферы вращения, и доводит их количество до 55. Вот как описывает свои взгляды на устройство мира сам Аристотель: «Солнце и планеты обращаются около Земли, находящейся неподвижно в центре мира. Наш огонь, относительно цвета своего, не имеет никакого сходства со светом солнечным, ослепительной белизны. Солнце не состоит из огня, оно есть огромное скопление эфира. Теплота Солнца причиняется действием его на эфир во время обращения вокруг Земли. Кометы суть скоропреходящие явления, которые быстро рождаются в атмосфере и столь же быстро исчезают. Млечный Путь есть не что иное, как испарения, воспламененные быстрым вращением звёзд около Земли… Движения небесных тел, вообще говоря, происходят гораздо правильнее, чем движения, замечаемые на Земле; ибо, так как тела небесные совершеннее любых других тел, то им приличествует самое правильное движение, и вместе с тем самое простое, а такое движение может быть только круговым, потому что в этом случае движение бывает вместе с тем и равномерным. Небесные светила движутся свободно подобно богам, к которым они ближе, чем к жителям Земли; поэтому светила при движении своём не нуждаются в отдыхе и причину своего движения заключают в самих себе. Высшие области неба, более совершенные, содержащие в себе неподвижные звёзды, имеют поэтому наиболее совершенное движение – всегда вправо. Что же касается части неба, ближайшей к Земле, а поэтому и менее совершенной, то эта часть служит местопребыванием гораздо менее совершенных светил, каковы планеты. Эти последние движутся не только вправо, но и влево, и притом по орбитам, наклоненным к орбитам неподвижных звёзд. Все тяжёлые тела стремятся к центру Земли, а так как всякое тело стремится к центру Вселенной, то поэтому и Земля должна находиться неподвижно в этом центре». Взгляды Аристотеля оказали огромное влияние на дальнейшее развитие космологии и около двух тысяч лет считались истиной в последней инстанции.
Несмотря на господство в античную эпоху геоцентрической модели мира, находились учёные, пытавшиеся создать гелиоцентрические учения. Одним из них был Аристарх Самосский (ок.320ок.250 до н.э.). Его модель была гораздо проще аристотелевской, но идея о вращении Земли вокруг Солнца была слишком непривычна для мировоззрения той эпохи. Кроме того, современники ссылались на авторитет Аристотеля, который выдвигал против геоцентрической модели мира серьёзный аргумент: если бы Земля двигалась по орбите в пространстве относительно сферы неподвижных звёзд, то это движение должно было бы приводить к наблюдаемому перемещению звёзд на небе. В те времена изза несовершенства средств наблюдения такое перемещение звёзд действительно не наблюдали (годичное параллактическое смещение звёзд откроют только в середине 19 века).
Все перечисленные выше модели мира, нельзя считать подлинно научными, ибо все они страдают существенным недостатком – отсутствием опоры на систематические астрономические наблюдения, большую роль в них играют ничем не подкрепленные предположения, выводы делаются часто на основе догадок. Астрономия впервые начинает претендовать на статус строгой науки лишь во II веке до н.э. благодаря работам выдающегося астронома античности Гиппарха из Никеи (190125 до н.э.). Гиппарх, помимо систематических и интенсивных наблюдений за звездным небом, прославился тем, что заложил основы сферической астрономии и тригонометрии, рассчитал аномалии солнечного и лунного движения, определил расстояния от Земли до Луны и Солнца. Обнаружив, что Луна и Солнце движутся по небу неравномерно, Гиппарх предположил, что хотя планеты и движутся по правильным круговым орбитам, но центры этих круговых орбит смещены по отношению к центру Земли, то есть, имеет место эксцентриситет. Сделав такое предположение, вместе с тем, Гиппарх не стал разрабатывать свою модель Вселенной. Он ограничился лишь критикой существующих моделей, указав на их неудовлетворительность. После исследований Гиппарха популярная в прошлом идея правильных хрустальных сфер была окончательно отброшена. Модели Мира, предлагаемые астрономами, теперь были гораздо сложнее и изощрённее.
Во II веке н.э. греческим астрономом Клавдием Птолемеем (ок. 90160 н.э.) была предложена геоцентрическая модель мира, которая подвела итог развитию античной космологии. Птолемей, опираясь на научное наследие своих предшественников, и, прежде всего, Гиппарха, утверждал, что планеты должны двигаться по малым окружностям (эпициклам), центры которых движутся вокруг Земли по окружности большего радиуса – деференту. Хотя идея использования эпициклов и деферентов выдвигалась ещё до Гиппарха Аполлоном Пергским, именно Птолемею принадлежит заслуга создания целостной всеобъемлющей космологической системы Мира.
Использование эпициклов и деферентов позволило Птолемею объяснить все наблюдаемые на звёздном небе движения небесных тел. Для этого ему пришлось ввести 39 эпициклов. Несмотря на громоздкость, эта модель устройства мира была довольно удачной. Тщательно подбирая для каждой планеты сочетания эпициклов, Птолемей добился небывалой для того времени точности предсказаний движения планет. Система мира Птолемея быстро получила признание и продержалась в науке в течение четырнадцати веков. Время от времени её усовершенствовали, вводя новые эпициклы.
В то же время ученых не прекращал волновать вопрос, нельзя ли построить более простую модель мира, сохраняя точность предсказаний движения планет. Пытаясь ответить на этот вопрос, в 1543 году польский астроном Николай Коперник (14731543) публикует свою знаменитую работу «О вращении небесных сфер», в которой утверждает, что Земля вовсе не является центром Вселенной. Она, наряду с другими планетами, должна вращаться вокруг Солнца.
Гелиоцентрическая система Коперника была существенно проще птолемеевской. Она хорошо объясняла обратные движения планет, но полностью обойтись без эпициклов Коперник всё же не смог. Он считал вслед за Платоном, что планеты должны двигаться по идеальным круговым орбитам с постоянной скоростью. Поэтому для объяснения замедления и ускорения движения планет по небу ему потребовалось ввести 34 эпицикла (всё же меньше, чем у Птолемея).
Самым известным сторонником системы Коперника был итальянский учёный Галилео Галилей (15641642), который впервые использовал телескоп для астрономических наблюдений. За несколько месяцев 1609 года он сделал открытия, полностью изменившие представления человека об устройстве Вселенной. Поверхность Луны оказалась очень похожей на земной ландшафт, на ней были видны горы и долины. Звёзд на небе оказалось гораздо больше, чем видно невооружённым глазом, а Млечный путь распался на огромное количество отдельных слабо светящихся звёзд. Наблюдая на поверхности Солнца пятна, Галилей пришёл к выводу, что оно вращается. И, наконец, наблюдения смены фаз Венеры, подобные смене фаз Луны, необъяснимые в геоцентрической системе Птолемея, окончательно убедили Галилея в правильности системы Коперника.
Все видимые перемещения планет по звёздному небу получили окончательное объяснение в рамках гелиоцентрической системы мира у немецкого астронома Иоганна Кеплера (15711630), предположившего, что планеты движутся вокруг Солнца не по круговым, а по эллиптическим орбитам, то ускоряя, то замедляя свой ход. При этом полностью отпадала необходимость введения эпициклов.
Несмотря на убедительность и стройность, космологические модели Коперника и Кеплера воспринимались большинством их современников не более как математические гипотезы. Научную основу коперниканская гелиоцентрическая система получила лишь после создания Ньютоном классической механики. Именно Ньютон объяснил, почему планеты удерживаются в своём вращении вокруг Солнца, и движутся по эллиптическим орбитам. Причиной этого, как оказалось, является действие закона всемирного тяготения.
Следующий крупный прорыв в развитии космологии связан с открытиями английского астронома Уильяма Гершеля (17381822). В ходе своих наблюдений он доказал, что законы механики Ньютона действуют и за пределами Солнечной системы. Он обнаружил, что двойные звёзды подчиняются тем же законам, что и планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Проводя при помощи телескопа наблюдения звёздного неба, Гершель открывает туманности. Он предположил, что они представляют собой огромные звёздные миры – своего рода островные Вселенные. Далее, он доказывал, что Млечный путь также является островной Вселенной. Впоследствии эти предположения Гершеля подтвердились и получили признание в науке.
Подлинный расцвет в теоретической космологии начинается с 1916 года, когда А.Эйнштейн (18791955) разрабатывает общую теорию относительности, и в её рамках выводит новое уравнение гравитационного поля. В то время Вселенная считалась статической и поэтому в 1917 году А.Эйнштейн находит решение уравнений, описывающее статическую модель Вселенной. Согласно этой модели Вселенная всегда была неподвижной, а расстояния между звёздами и галактиками были постоянными. В том же 1917 году голландский физик В. де Ситтер (18721934) решает уравнения для модели расширяющейся Вселенной, при этом ему пришлось допустить отсутствие во Вселенной вещества, что с физической точки зрения было нереальным. В 1922 году российский метеоролог Александр Фридман (18881925) находит решения для уравнений Эйнштейна, описывающие расширяющуюся Вселенную, заполненную веществом. Всего этих решений было три, они соответствовали трём моделям развития Вселенной. Во всех трёх моделях Вселенная возникала из начальной сингулярности – точки, в которой вещество сжато до бесконечной плотности силами гравитации. В первой «открытой» модели Вселенная беспредельно расширяется с некоторой постоянной скоростью. Во второй, «плоской» модели Вселенная также расширяется, но скорость расширения постепенно уменьшается до нуля. Третья, «замкнутая» модель описывает Вселенную, расширяющуюся до некоторого предела, после которого неизбежно сжатие и возврат в состояние сингулярности.
Таким образом, были предложены различные варианты развития Вселенной, но они сводились к трём альтернативам: либо Вселенная статична, либо бесконечно расширяется, либо расширение должно смениться сжатием. Теоретики своё дело сделали. Слово теперь было за наблюдательной космологией, именно она на основе эмпирических фактов, на основе реальных наблюдений должна была решить, какой модели отдать предпочтение.
Теория «Большого взрыва».
Первым событием глобального масштаба в экспериментальном космологии было открытие в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабблом так называемого «красного смещения» в спектрах галактик. Э.Хаббл обнаружил, что чем больше расстояние до галактик, тем сильнее спектральные линии излучения этих галактик смещаются в красную область светового спектра. Согласно эффекту Доплера, это означало, что все галактики удаляются от нас со скоростями прямо пропорциональными расстоянию до них. Этот факт недвусмысленно говорил о том, что Вселенная расширяется как единое целое. Попытки иного объяснения природы красного смещения к успеху не привели и ученые в большинстве своем признали, что Вселенная расширяется. Признание этого факта логически ведет к заключению о том, что расширение должно было начаться когдато в прошлом, и в этот начальный момент все вещество должно было находиться в сверхплотном состоянии. Так как при сжатии вещество нагревается, следовательно, температура на начальном этапе развития Вселенной должна быть очень высокой, а первые мгновения этого начального этапа должны напоминать гигантский взрыв.
Исходя из этих предпосылок, американский физик Георгий Гамов создает так называемую модель горячей Вселенной, которая получила также название теории Большого взрыва. Согласно этой теории наша вселенная возникает в результате гигантского взрыва примерно 20 млрд. лет назад. В результате этого взрыва в конечном итоге возникли галактики, звёзды, планеты и другие космические объекты, которые сейчас продолжают разлетаться от эпицентра взрыва, удаляясь друг от друга. В 1948 году Г.Гамов публикует статью, в которой утверждает, в частности, что на ранних этапах расширения Вселенной должно было излучаться огромное количество энергии в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения. Его температура должна была по расчётам составлять несколько градусов по шкале Кельвина, то есть, лишь немногим отличаться от абсолютного нуля.
Теорию Г.Гамова пытались проверить экспериментально, наблюдая за излучением звёздного неба, однако к успеху эти попытки не привели – требовалась очень высокая точность калибровки антенн. Такие антенны учёные уже начали было разрабатывать, однако, в 1964 году их опередили сотрудники американской фирмы Bell Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Испытывая новую рупорную антенну, они случайно обнаруживают излучение непонятной природы. Оно было изотропным и совершенно не меняло интенсивности при повороте антенны. Неизменное по параметрам излучение исходило из любой точки неба. Только через год после обнаружения было установлено, что это то самое «реликтовое» излучение, которое предсказал Г.Гамов. За это открытие в 1978 году А.Пензиас и Р.Вильсон получили Нобелевскую премию.
Благодаря обнаружению «реликтового» излучения в начале 70х годов теория расширяющейся Вселенной одерживает окончательную победу над своим главным конкурентом – теорией стационарной Вселенной, утверждавшей, что наблюдаемый процесс разрежения вещества во Вселенной (это видно по красному смещению галактик), компенсируется его постоянным производством из вакуума - как бы «творением» из ничего. Теория стационарной Вселенной «реликтовое» излучение не предсказывала и удовлетворительного объяснения дать ему не могла.
Остановимся подробнее на основных этапах развития Вселенной, попытаемся восстановить, опираясь на последние достижения современной физики, последовательность событий в истории нашей Вселенной.
Согласно теории Большого взрыва Вселенная возникла из сингулярности - особого состояния материи с удивительными свойствами. Примерно двадцать миллиардов лет назад, в момент предшествовавший Большому взрыву размеры нашей Вселенной составляли около 1033см (размеры), плотность вещества в ней была приблизительно 1093 г/см3, а температура превышала 1013 К. Современная физика пока ещё не разработала теорий, способных описать подобные состояния вещества. Поэтому в настоящий момент бессмысленно рассуждать о том, что было до этой сингулярности, и сколько времени она длилась. Единственным достоверным фактом является то, что она взорвалась. Что касается причин взрыва, для науки это также пока загадка.
Через 0,01 с после взрыва температура Вселенной упала до 1011 К. При такой температуре атомы и молекулы вещества существовать не могут - Вселенную наполняли одни лишь элементарные частицы. Через 3 минуты температура Вселенной понизилась до 109 К. В этот момент созрели условия для образования вещества - возникли ядра атомов водорода и гелия. После этого момента наступил довольно длительный период, занявший примерно 700000 лет, в течение которого Вселенная расширялась без особых изменений до тех пор, пока ядра атомов водорода и гелия не соединились со свободными электронами и не образовали нормальные нейтральные атомы газов водорода и гелия. Именно в эту эпоху формируется наблюдаемое нами "реликтовое" излучение. К сказанному можно добавить, что радиус Вселенной составлял тогда около 15 млн. св. лет.
После возникновения водорода и гелия наступает так называемая "звездная эпоха". В действие вступает сила тяготения, отныне преобладающая над всеми другими типами физического взаимодействия. Частицы газа, наполняющие Вселенную, начинают притягиваться друг к другу, и постепенно возникают галактики, звезды и планеты
Примерно через 15 млрд. лет посла Большого взрыва формируется межзвездное облако, которое дало начало Солнечной системе. В результате его сжатия в течение 400 млн. лет возникают планеты, и, в том числе и Земля. Через 17 млрд. лет после Большого взрыва на Земле появляются первые микроорганизмы, и, тем самым, начинается этап биологической эволюции, который приводит, наконец, к возникновению человека Homo Sapiens.
Таковы, согласно расчётам современной физики, временные рамки основных этапов эволюции Вселенной. Перейдём теперь к рассмотрению эволюции крупномасштабной структуры Вселенной. Выясним, в результате каких процессов возникли галактики, звёзды и планеты.
После того, как в ходе эволюции Вселенной образовалось вещество - атомы водорода и гелия, первичные неоднородности плотности (которые неизбежны в любом физическом процессе) в гигантском протогалактическом газовом облаке начали расти. Под действием силы тяжести эти неоднородности перестают расширяться вместе с остальной Вселенной. Достигнув определённого максимума размеров, они начинают сжиматься, так, постепенно формируется газовое облако. Силы тяготения ускоряют сжатие, оно переходит в сверхзвуковой режим, в котором неизбежно появление множества турбулентных завихрений. Затем образуются турбулентные ячейки - происходит процесс дефрагментации газового облака. Из фрагментов постепенно формируются галактики. Согласно вычислениям массы этих фрагментов должны составлять не более 1 трлн. Масс Солнца, а размер не более 150 000 св. лет. Эти данные хорошо согласуются с современными данными о количестве вещества в галактиках и об их размерах.
Фрагменты протогалакгического газового облака постепенно охлаждаясь, подвергались дальнейшей весьма быстрой фрагментации. Теперь газовые фрагменты становятся уже достаточно плотными слабо светящимися газовыми шарами, и их дальнейшее сжатие под действием сил тяготения приводит к постепенному разогреванию до очень высоких температур, при которых включаются термоядерные реакции синтеза. В итоге во Вселенной появляются звёзды, объединённые в гигантские вращающиеся скопления - галактики. Обобщая сказанное, можно заключить, что, согласно современным представлениям, из первичных фрагментов протогалактического облака возникают скопления галактик, а из вторичных - сами галактики.
Астрономические наблюдения подтверждают данную гипотезу возникновения галактик. Вселенная, согласно наблюдениям имеет ячеистую структуру, галактики в ней распределены очень однородно. На сегодняшний день астрономами насчитывается около 10 млрд. галактик. Галактики кроме звезд содержат также межзвездный газ и космическую пыль. По форме выделяют спиральные, эллиптические и неправильные галактики. Наша галактика - Млечный путь относится к классу спиральных и имеет два рукава, выходящие из ядра. По форме она напоминает диск с утолщением в центре (гало).
Рассмотрим процесс эволюция звезд – это следующий за галактиками уровень организации материи во Вселенной. Первая стадия жизни звезды подобна солнечной - в ней доминируют реакции водородного цикла. Температура звезды определяется ее массой и степенью гравитационного сжатия, которому противостоит главным образом световое давление. Звезда образует относительно устойчивую колебательную систему, ее периодические слабые сжатия и расширения определяют звездные циклы. По мере выгорания водорода в центре звезды, ее гелиевое ядро остывает, а зона протекания реакции синтеза перемещается на периферию. Звезда "разбухает", поглощая планеты ее системы, и остывает, превращаясь в красного гиганта.
Дальнейшее сжатие гелиевого ядра поднимает его температуру до зажигания реакций гелиевого цикла. Водородная оболочка постепенно рассеивается, образуя звездную туманность, а сильно сжатое ядро раскаляется до высоких температур, соответствующих свечению белоголубым светом ("белый карлик"). По мере выгорания топлива звезда угасает, превращаясь в устойчивого "черного карлика" - характерный итог эволюции большинства звезд с массой, порядка солнечной.
Более массивные звезды () на этапе превращения в белого карлика теряют водородную оболочку в результате мощного взрыва, сопровождающегося многократным увеличением светимости ("сверхновые звезды"). После выгорания их ядер сил давления в плазме оказывается недостаточным для компенсации гравитационных сил. В результате уплотнения вещества электроны "вдавливаются" в протоны с образованием нейтральных частиц. Возникает нейтронная звезда - весьма компактное (радиус в несколько километров) и массивное образование, вращающееся с фантастически высокой для космических объектов скоростью: около одного оборота в секунду. Вращающееся вместе со звездой его магнитное поле посылает в пространство узконаправленный луч электромагнитного (часто рентгеновского) излучения, действуя подобно маяку. Источники мощного периодического излучения, открытые в радиоастрономии, получили название пульсаров.
Звезды с массой, превосходящей массу Солнца более чем в два раза, обладают столь сильным гравитационным полем, что на стадии нейтронной звезды их сжатие не останавливается. В результате дальнейшего неограниченного сжатия - гравитационного коллапса звезда уменьшается до таких размеров, что скорость, необходимая для ухода тела с ее поверхности на бесконечность превышает предельную (скорость света). При этом ни одно тело (даже свет) не может покинут непрерывно сжимающуюся звезду, представляющую собой "черную дыру", размерами всего в несколько километров. Существование черных дыр допускают уравнения Общей теории относительности. В области черной дыры пространствовремя сильно деформированы.
Астрономические наблюдения затруднены, поскольку такие объекты не излучают свет. Однако обнаружены звезды, совершающие движение, характерное для компонент двойных звезд, хотя парной звезды не наблюдается. Весьма вероятно, что ее роль играет черная дыра или не излучающая нейтронная звезда.
Помимо перечисленных обнаружен ряд астрофизических объектов, свойства которых не укладываются в приведенные схемы - квазары. Наблюдаемое их излучение аналогично пульсарному, но очень сильно смещено в красную область. Величина красного смещения указывает на то, что квазары находятся так далеко, что их наблюдаемая яркость соответствует излучению, превосходящему по интенсивности излучения галактического скопления. В то же время наличие быстрых изменений интенсивности ставит вопрос о механизме согласования излучения элементами системы, размеры которой должны составлять тысячи световых лет.
Происхождение Солнечной системы и планеты Земля для космологии до сих пор является серьёзной проблемой. Механизм и детали этого процесса пока ещё не выявлены. Нам известно гораздо больше о происхождении и эволюции далёких галактик и звёзд, нежели о космических телах, находящихся от нас в непосредственной близости (разумеется, по космическим масштабам). Гипотез, объясняющих происхождение Солнечной системы и нашей планеты, было предложено немало, но всё же ни одну из них нельзя признать до конца удовлетворительной. Тем не менее, давайте рассмотрим некоторые из них, наиболее правдоподобные и доказательные.
Самая первая научная гипотеза была предложена ещё в 18 веке немецким философом И.Кантом и французским математиком П.Лапласом. Оба они исходили из предположения о том, что Солнечная система возникла из газопылевого облака. Их теории, правда, имели отличия. Если Кант считал, что первоначально облако было холодным и состояло из космической пыли, то Лаплас предполагал, что туманность состояла из горячего газа, вращающегося с очень высокой скоростью. Под действием силы тяготения туманность сжималась вокруг своего центра, а центробежные силы приводили к последовательному отделению от центрального облака ряда колец, из которых постепенно, в результате конденсации, образовались планеты. Центральное же облако породило Солнце. Эта гипотеза была общепризнанной среди астрономов вплоть до начала XX века. Однако при всей своей убедительности, она имела и серьёзный недостаток – не могла удовлетворительно объяснить разность в распределении момента количества движения между Солнцем и планетами.
В первой трети XX века появляется оригинальная гипотеза Джинса, которая была противоположной гипотезе КантаЛапласа. Джинс исходил из того, что Солнце возникло гораздо раньше планет и первоначально не имело вокруг себя облака газа. Однако, в результате прохождения вблизи Солнца массивной звезды под действием мощных приливных сил с поверхности Солнца отделяется гигантская струя раскалённого газа и остаётся в его сфере притяжения. Затем из этого вещества, в результате конденсации формируются планеты.
В 1944 году советский учёный О.Ю.Шмидт предлагает новую гипотезу возникновения Солнечной системы. Он предположил, что планеты, в том числе и Земля, возникли из вещества, захваченного Солнцем в сферу своего притяжения при прохождении им плотной газопылевой туманности. Как и в гипотезе Джинса предполагалось, что Солнце существовало задолго до того, как начался процесс образования планет. Гипотеза Шмидта по сравнению с другими гипотезами имела то преимущество, что прекрасно объясняла распределение момента количества движения в Солнечной системе. Идеи Шмидта в 1961 году были развиты английским космологом Литтлтоном, который внёс в эту гипотезу ряд усовершенствований.
Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!