Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 2
ВСЕЛЕННАЯ
Система Мира - это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, звезд.
Очень простая и наглядная система мира в древнем Вавилоне:
(А Вы знаете что-нибудь о представлениях, например, древних китайцев?)
Шли годы, и мы теперь можем следить за гениальными догадками (умозаключениями) гениальных людей.
|
Древнегреческий ученый Клавдий Птолемей (ок.90-ок.160 гг.) в своем труде “Альмагест” предложил геоцентрическую систему Мира. Однако трудно описать движение планет, приходится вводить много дополнительных предположений. (И поплыл Колумб в Индию, а открыл Америку. Детский вопросик - Интересно, Колумб попал не туда из-за того, что неправильно ориентировался по звездам?) |
Николай Коперник (1473-1543 гг.) провозгласил в своей книге “Об обращении небесных сфер” гелиоцентрическую систему мира. Огромный прорыв в описании Мира, но … звезды по-прежнему «прибиты гвоздями» к небосводу.
Вселенная Ньютона
Сэр Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) в своем труде “Математические начала натуральной философии” (1687 г.) заложил основы классической физики:
1. Существует абсолютное пространство, которое однородно, изотропно и имеет бесконечную протяженность.
2. Существует абсолютное (истинное и математическое) время. Время бесконечно и имеет одно измерение.
В основе механики* Ньютона лежат три аксиомы (три закона):
*Механика- (от греч. mechanike – наука о машинах): наука о механическом движении** материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними.
** Механическое движение – изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве
1. Первый закон - закон инерции: всякое тело, на которое не действует внешняя сила, сохраняет по инерции (вследствие наличия инертной массы) состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
2. Второй закон - закон движения: изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует:
F=mиa
F - вынуждающая сила, a - ускорение, mи - инерциальная масса.
И.Ньютон: «Воздействующая сила – есть действие, оказываемое на тело, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения».
К. Сазонов (студент 1 к. МВТ): «Сила – это принуждение к действию»
3. Третий закон - закон действия и противодействия: всякому действию соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.
Согласно современным представлениям под телом следует понимать материальную точку, а под движением – движение относительно инерционной системы координат.
Законы механики Ньютона строго инвариантны, неизменны относительно изменения знака времени: замена +t на -t ничего в них не меняет. Поэтому и говорят, что механика обратима, - если мы (теоретически) абсолютно точно зададим начальные координаты и импульсы частиц, то можем узнать сколь угодно далекое прошлое и сколь угодно далекое будущее системы.
В мире И.Ньютона все события раз и навсегда предопределены, это мир строгого детерминизма, в котором нет места случайностям.
Ньютоновские законы механики перестают быть справедливыми для движения объектов очень малых размеров (атомы) и при скоростях, близких к скорости света.
Решил Ньютон отдохнуть после трудов праведных в саду, и … получилось, что в конце 17 века он установил закон тяготения :
между всеми телами на Земле действуют силы притяжения - гравитационные силы:
любые материальные частицы A и B с массами mA и mB притягиваются по направлению друг к другу с силой F прямо пропорционально произведению масс и обратно пропорционально квадрату расстояния r между ними:
,
где G- гравитационная постоянная. Числовое значение гравитационной постоянной было определено Г. Кавендишем (1798 г.). По современным представлениям G=6.6745м3/кгc2.
В уравнениях Ньютона появилось две разных массы: инертная масса mи и гравитационная масса mгр.
Различны ли эти массы?
Сейчас доказано, что mгр=mи с точностью до 10-12.
(Детский вопросик: Луна притягивается к Земле, почему до сих пор она не упала на Землю?
Детский вопросик: Почему камень падает на Землю, а не Земля на камень?).
Для описания Вселенной Ньютон сделал гениальное предположение: пусть законы, установленные на Земле, будут действовать и во всей Вселенной, т.е. эти законы будут мировыми законами.
В конце 17 века считалось, что Вселенная - шар, и вещество (звезды) во Вселенной однородно распределено по объему шара.
Ньютон:
Между частицами - звездами действуют только гравитационные силы, т.е. силы притяжения, поэтому шар должен сжаться в точку, т.е. произойти гравитационный коллапс
Но если Вселенная - бесконечна, то произвольная точка в бесконечной Вселенной испытывает одинаковое притяжение в любом направлении и поэтому остается на месте.
Бесконечная и стационарная (т.е. неизменная во времени) Вселенная существовать может, но сам Ньютон понимал, что такая Вселенная очень неустойчива.
Что же делать? Ньютон не успел больше ничего совершить, и Мир ждал появления следующего гения – Эйнщтейна.
Вселенная Эйнштейна
|
Эйнштейн (1916 г.) рассмотрел Вселенную, которая также была стационарной, изотропной и однородной (как у Ньютона). Чтобы уравновесить силы притяжения, ввел новую силу - силу отталкивания. Теперь Вещество во Вселенной удерживается двумя силами - притяжения и отталкивания. |
Строгое математическое решение сформулированной задачи показало нетривиальный результат:
Вселенная может быть стационарной, но только в том случае, если она (Вселенная) имеет конечные размеры, но неограниченна.
Как же тело может быть конечным, но не иметь границ?
|
Возьмите сферу - площадь ее конечна (S=r2), но как определить границу сферы? Ее нет. По аналогии можно представить себе, что существует некое четырехмерное пространство (какой-то гипершар), где наша Вселенная служит трехмерной границей гипершара. |
Но что это за таинственные силы отталкивания и нужны ли они?
Что знали ученые о Вселенной в 20-х годах XX века? Результаты наблюдательной астрономии позволили ученым утверждать, что Вселенная в целом однородна и изотропна.
Но если это так, то почему ночью темно, а не светло как днем?
Количество звезд N в слое : N4r2.
Но светимость Q 1/r2.
Два слоя на расстоянии r1 и r2 от Земли.
В первом слое: N1 и общая светимость Q1N1/r12,
Светимость второго слоя Q2N2/r22. Ясно, что Q1=Q2,
Поскольку слоев бесконечно много, то и света должно быть бесконечно много. Ночью должно быть светло, как днем - вот о чем говорит парадокс Ольберса.
Что же делать? Опять ждать гения? Но может быть, стоит и самим чуточку подумать?
Исходные посылки: Вселенная бесконечна, изотропна, однородна и постоянна.
Изотропность и однородность установлены точно и здесь ничего изменить нельзя.
Делаем вывод: либо Вселенная не бесконечна, либо Вселенная изменяется со временем.
(Детский вопросик: А что такое время?)
Время - форма последовательной смены явлений и состояний материи. Время и пространство - всеобщие атрибуты материи, неотделимы от нее, неразрывно связаны с движением и друг с другом.
И здесь на помощь приходит еще один гений - американский астроном Хаббл
В 1929 г. Хаббл измерял скорости движения галактик. Для этого он определял так называемое “красное смещение” - наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн по сравнению с их нормальными спектрами.
И он получил следующую картину:
Наблюдаемое Хабблом красное смещение означает, что объект удаляется от наблюдателя.
Скорость (V) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики описывается простым выражением :
V=HR
Постоянная Н называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет 66 км/с Мпк.
Итак, существующая Вселенная нестационарна, галактики убегают от нас.
Значит ли это, что Земля является центром Вселенной?
Рассмотрим простую аналогию с воздушным шариком.
Будем надувать воздушный шарик с нарисованными на нем точками 1, 2, 3.
Происходит “разбегание” точек 1, 2 и 3 по поверхности шара при увеличении его размеров.
Так и во Вселенной. Все галактики разбегаются друг от друга, и конечно, возникает вопрос, почему?
На помощь снова приходит гениальный ученый – теперь это русский ученый Фридман
В начале 20-х годов он предложил модель нестационарной Вселенной.
Если сейчас галактики разбегаются, то вчера они были ближе, а позавчера еще ближе друг к другу, а значит, был момент времени t=0, когда все началось из какой-то точки. Обратите внимание, что здесь самое главное – это временная шкала, мы приходим к выводу о моменте рождения Вселенной.
Экстраполируя процесс расширения в прошлое, сделали вывод, что 15-20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности и температуре вещества-излучения (это исходное состояние называют "сингулярностью"), а вся нынешняя Вселенная конечна - обладает ограниченным объемом и временем существования.
Отсчет времени жизни такой эволюционирующей Вселенной ведут от момента, при котором, как полагают, внезапно нарушилось состояние сингулярности, и произошел "Большой Взрыв".
Но почему галактики разбегаются?
Предположим, что в начальный момент времени уже были галактики и занимали какое-то пространство.
Если в этот начальный момент скорости были большими и направлены таким образом, что галактики удалялись друг от друга, то мы получим, что и в настоящее время галактики удаляются друг от друга по инерции (правда, с меньшей скоростью, поскольку тяготение “тормозит” их движение).
Итак, был начальный момент, когда произошел «Большой Взрыв».
(Детский вопросик – Что, где и когда взорвалось?)
После “взрыва” частицы получают огромную начальную скорость и начинают разлетаться во все стороны.
Если силы притяжения, которые стремятся собрать частицы воедино, малы, то частицы все время будут разлетаться.
Однако, если силы притяжения велики, то через некоторое время они изменят знак скорости движения частиц на противоположный, и частицы начнут сближаться.
Ясно, что гравитационные силы зависят от плотности частиц в объеме Вселенной - чем больше плотность, тем больше силы Fтяг.
Из приведенных условий ясно, что сценарий развития Вселенной зависит от плотности вещества в современную эпоху, т.е. существует критическая величина плотности Вселенной.
Изменение размера R Вселенной с течением времени t (tc - наше время) для Вселенной с разной плотностью.
Строгое решение задачи об эволюции (развитии) Вселенной показывает:
1. С течением времени изменяются расстояния между галактиками.
2. В прошлом был момент “t=0”, когда радиус шара был равен нулю, а значит плотность (момент сингулярности).
3. При t=0 произошел “Большой взрыв”, в результате которого образовалась Вселенная.
Неужели все так просто и ясно? Что же еще ученым надо, и что они делали после этого еще 70 лет?
|
Спасибо, что осилили новую тему!!! Мне кажется, это было не сложнее, чем создать такую фигуру: |
Наш мир – это частичка Вселенной,
Прекрасная и светлая как день,
Мы забываем это в век наш тленный,
И свет тот переходит в тень.
Нет конца удивленью в мире нашем,
А мы забыли об этом, друзья;
За нашим облачным и призрачным несчастьем
Не вспоминаем, что планета - лишь Звезда.
Звезда в бескрайнем множестве творений,
Песчинка средь таких же многих звезд,
И в череде несчетных поколений,
Как эхо, вновь звучит, звучит вопрос.
Вопрос о нашей жизни, о существованье,
О смысле нашего бытия,
Но нет, к сожаленью, ответа, признанья,
С ним стала бы жизнь скучна.
Но все мы себя спрашиваем вдруг:
«Зачем, зачем мы в этом мире появились?»
Искать один ответ на это – бесполезный труд
Ответа нет, сколько б над ним ни бились.
_____________________________________________________
Задача 8: Если выйти из Санкт-Петербурга и идти все время на северо-запад, куда попадешь?
Задача 9: Полторы курицы за полтора часа несут полтора яйца.
Сколько яиц снесут две курицы за три часа?