Питання № 1 Теорія відносності
Передумовою до створення теорії відносності стало розвиток в XIX столітті електродинаміки. Результатом узагальнення і теоретичного осмислення експериментальних фактів і закономірностей в областях електрики і магнетизму стали рівняння Максвелла, що описують всі прояви електромагнітного поля і його взаємодію із зарядами і струмами.
Іншим наслідком розвитку електродинаміки став перехід від ньютонівської концепції дальнодії, згідно з якою взаємодіючі на відстані тіла впливають один на одного через розділяє їх порожнечу, причому взаємодія здійснюється з нескінченною швидкістю, тобто "Миттєво", до концепції блізкодействія, запропонованої Майклом Фарадеєм, в якій взаємодія передається за допомогою проміжних агентів - полів, які заповнюють простір - і при цьому постало питання про швидкості розповсюдження як взаємодій, які переносяться полями, так і самих полів. Швидкість поширення електромагнітного поля в порожнечі випливала з рівнянь Максвелла та виявилася постійною і рівною швидкості світла.
Однак у зв'язку з цим постало питання - щодо чого постійна швидкість світла? У максвелловой електродинаміки швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль виявилася не залежить від швидкостей руху як джерела цих хвиль, так і спостерігача. Аналогічної виявилася і ситуація з магнітостатичних рішеннями, що випливають з рівнянь Максвелла: статичні магнітні поля і сили Лоренца, що діють на рухомі в магнітних полях заряди, залежать від швидкостей зарядів по відношенню до спостерігача, тобто рівняння Максвелла виявилися неінваріантна щодо принципу відносності і перетворень Галілея - що суперечило ньютонівської концепції абсолютного простору класичної механіки.
Спеціальна теорія відносності (СТО) була розроблена в кінці IXX - початку XX століття зусиллями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, Лармора і А. Ейнштейна, і потім представлена Мінковським в чотиривимірному формалізмі, що об'єднує простір і час. Питання пріоритету у створенні СТО має дискусійний характер: основні положення і повний математичний апарат теорії, включаючи групові властивості перетворень Лоренца, в абстрактній формі були вперше сформульовані А. Пуанкаре в роботі 1905 р. "Про динаміку електрона" на основі попередніх результатів Г. А. Лоренца, а явний абстрактний висновок базису теорії - перетворень Лоренца, з мінімуму вихідних постулатів було дано А. Ейнштейном у практично одночасній роботі 1905 р. "До електродинаміки рухомих середовищ".
Два постулату Ейнштейна
У цій статті він сформулював два знаменитих постулату, які лягли в основу приватної, або спеціальної теорії відносності (СТО), яка змінила класичні уявлення про простір і час.
У першому постулаті Ейнштейн розвинув класичний принцип відносності Галілея. Він показав, що цей принцип є загальним, в тому числі і для електродинаміки (а не тільки для механічних систем). Це положення не було однозначним, оскільки потребувало відмовитися від ньютонівського дальнодії.
Узагальнений принцип відносності Ейнштейна стверджує, що ніякими фізичними дослідами (механічними і електромагнітними) всередині даної системи відліку не можна встановити, рухається ця система рівномірно або спочиває. При цьому простір і час є пов'язаними один з одним, залежними один від одного (у Галілея і Ньютона простір і час незалежні один від одного).
Другий постулат спеціальної теорії відносності Ейнштейн запропонував після аналізу електродинаміки Максвелла - це принцип сталості швидкості світла у вакуумі, яка приблизно дорівнює 300 000 км / с.
Швидкість світла - це найбільша швидкість в нашому Всесвіті. Більше швидкості 300 000км / с в навколишньому світі бути не може.
У сучасних прискорювачах мікрочастинки розганяються до величезних швидкостей. Наприклад, електрон розганяється до швидкості v е = 0,9999999 С, де v е, С - швидкості електрона і світла відповідно. При цьому, з точки зору спостерігача, маса електрона зростає в 2500 разів:
Тут m e0 - маса спокою електрона, m e - маса електрона на швидкості v e.
Досягти швидкості світла електрон не може. Однак існують мікрочастинки, які мають швидкість світла, їх називають "люксони".
До них відносяться фотони і нейтрино. У них практично немає маси спокою, їх не можна загальмувати, вони завжди рухаються зі швидкістю світла с. Всі інші мікрочастинки (тардіони) рухаються зі швидкостями менше швидкості світла. Мікрочастинки, у яких швидкість руху могла б бути більше швидкості світла, називають тахіон. Таких часток в нашому реальному світі немає.
Винятково важливим результатом теорії відносності є виявлення зв'язку між енергією і масою тіла. При малих швидкостях
де E = m 0 c 2-енергія спокою частинки з масою спокою m 0, а E K - кінетична енергія рухається частинки.
Величезним досягненням теорії відносності є встановлений нею факт еквівалентності маси і енергії (E = m 0 c 2). Однак мова йде не про перетворення маси в енергію і навпаки, а про те, що перетворення енергії з одного виду в інший відповідає переходу маси з однієї форми в іншу. Енергію можна замінити масою, так як енергія характеризує здатність тіла виконувати роботу, а маса - міру інерції.
При швидкостях релятивістських, близьких до швидкості світла:
де E-енергія, m - маса частинки, m - маса спокою частинки, с - швидкість світла у вакуумі.
З наведеної формули видно, що для досягнення швидкості світла частці потрібно повідомити нескінченно велику енергію. Для фотонів і нейтрино ця формула несправедлива, оскільки у них v = c.
Релятивістські ефекти
Під релятивістськими ефектами в теорії відносності розуміють зміни просторово-часових характеристик тіл при швидкостях, порівнянних із швидкістю світла.
Для прикладу зазвичай розглядається космічний корабель типу фотонної ракети, який летить у космосі зі швидкістю, порівнянної зі швидкістю світла. При цьому нерухомий спостерігач може помітити три релятивістських ефекту:
1.Увеліченіе маси порівняно з масою спокою. З ростом швидкості росте і маса. Якщо б тіло могло рухатися зі швидкістю світла, то його маса зросла б до нескінченності, що неможливо. Ейнштейн довів, що маса тіла є міра міститься в ній енергії (E = mc 2). Повідомити тілу нескінченну енергію неможливо.
2.Сокращеніе лінійних розмірів тіла в напрямку його руху. Чим більше буде швидкість космічного корабля, що пролітає повз нерухомого спостерігача, і чим ближче вона буде до швидкості світла, тим менше будуть розміри цього корабля для нерухомого спостерігача. При досягненні кораблем швидкості світла його спостережувана довжина дорівнюватиме нулю, чого бути не може. На самому ж кораблі космонавти цих змін не будуть спостерігати. 3. Уповільнення часу. У космічному кораблі, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, час плине повільніше, ніж у нерухомого спостерігача.
Ефект уповільнення часу позначився б не тільки на годиннику всередині корабля, але і на всіх процесах, що протікають на ньому, а також на біологічних ритмах космонавтів. Однак фотонну ракету не можна розглядати як інерційну систему, бо вона під час розгону і гальмування рухається з прискоренням (а не рівномірно і прямолінійно).
Так само, як і у випадку квантової механіки, багато передбачення теорії відносності суперечать інтуїції, здаються неймовірними і неможливими. Це, однак, не означає, що теорія відносності невірна. Насправді те, як ми бачимо (або хочемо бачити) оточуючий нас світ і те, яким він є насправді, може сильно відрізнятися. Вже більше століття вчені всього світу пробують спростувати СТО. Жодна з цих спроб не змогла знайти ні найменшої вади в теорії. Про те, що теорія вірна математично, свідчить сувора математична форма і чіткість всіх формулювань.
Про те, що СТО дійсно описує наш світ, свідчить величезний експериментальний досвід. Багато наслідки цієї теорії використовуються на практиці. Очевидно, що всі спроби "спростувати СТО" приречені на провал тому, що сама теорія спирається на три постулати Галілея (які дещо розширені), на основі яких побудована ньютонова механіка, а також на додаткові постулати.
Результати СТО не викликають будь-якого сумніву в межах максимальної точності сучасних вимірів. Більш того, точність їх перевірки є настільки високою, що сталість швидкості світла покладено в основу визначення метра - одиниці довжини, в результаті чого швидкість світла стає константою автоматично, якщо вимірювання вести відповідно до метрологічними вимогами.
У 1971р. вСША був поставлений експеримент з визначення уповільнення часу. Виготовили двоє абсолютно однакових точних годин. Один годинник залишалися на землі, а інші поміщалися в літак, який літав навколо Землі. Літак, що летить по круговій траєкторії навколо Землі, рухається з деяких прискоренням, і значить, годинник на борту літака знаходяться в іншій ситуації в порівнянні з годинником, що спочивають на землі. Відповідно до законів теорії відносності годинник-мандрівники повинні були відстати від покояться на 184 нс, а насправді відставання склало 203 нс. Були й інші експерименти, в яких перевірявся ефект уповільнення часу, і всі вони підтвердили факт уповільнення. Таким чином, різне перебіг часу в системах координат, що рухаються відносно один одного рівномірно і прямолінійно, є незаперечним експериментально встановленим фактом.
У 1915 році Ейнштейн завершив створення нової теорії, що об'єднує теорії відносності і тяжіння. Він назвав її загальною теорією відносності (ЗТВ). Після цього ту теорію, яку Ейнштейн створив в 1905 році і яка не розглядала тяжіння, стали називати спеціальною теорією відносності.
У рамках цієї теорії, що є подальшим розвитком спеціальної теорії відносності, постулюється, що гравітаційні ефекти обумовлені не силовим взаємодією тіл і полів, що знаходяться в просторі-часі, а деформацією самого простору-часу, яка пов'язана, зокрема, з присутністю маси-енергії. Таким чином, у ВІД, як і в інших метричних теоріях, гравітація не є силовим взаємодією. Загальна теорія відносності відрізняється від інших метричних теорій тяжіння використанням рівнянь Ейнштейна для зв'язку кривизни простору-часу з присутньої в просторі матерією.
Загальна теорія відносності грунтується на двох постулатах спеціальної теорії відносності і формулює третій постулат - принцип еквівалентності інертної і гравітаційної мас. Найважливішим висновком ОТО є положення про зміну геометричних (просторових) і тимчасових характеристик у гравітаційних полях (а не тільки при русі з великими швидкостями). Цей висновок пов'язує ЗТВ з геометрією, тобто у ВІД спостерігається геометризація тяжіння. Класична геометрія Евкліда для цього не годилася. Нова геометрія з'явилася ще в XIX ст. У працях російського математика Н. І. Лобачевського, німецького - Б. Рімана, угорської - Я. Больяйя.
Геометрія нашого простору виявилася неевклідової.
ОТО-фізична теорія, в основі якої лежить ряд експериментальних фактів. Розглянемо деякі з них. Гравітаційне поле впливає на рух не тільки масивних тіл, але і світла. Промінь світла відхиляється в поле Сонця. Виміри, проведені в 1922р. англійським астрономом А. Еддінгтон під час сонячного затемнення, підтвердили це передбачення Ейнштейна.
У ЗТВ орбіти планет незамкнені. Невеликий ефект такого роду можна описувати як обертання перигелію еліптичної орбіти. Перигелій - це найближча до Сонця точка орбіти небесного тіла, яке рухається навколо Сонця по еліпсу, параболи або гіперболи. Астрономам відомо, що перигелій орбіти Меркурія повертається за століття приблизно на 6000 ". Це пояснюється гравітаційними збуреннями з боку інших планет. При цьому залишався непереборний залишок близько 40" за століття. У 1915р. Ейнштейн пояснив це розходження у рамках ВМО.
Існують об'єкти, в яких ефекти ЗТВ відіграють визначальну роль. До них належать "чорні діри". "Чорна діра" виникає тоді, коли зірка стискається настільки сильно, що існуюче гравітаційне поле не випускає в зовнішній простір навіть світло. Тому з такої зірки не виходить ніякої інформації. Численні астрономічні спостереження вказують на реальне існування таких об'єктів. ОТО дає чітке пояснення цьому факту.
У 1918р. Ейнштейн передбачив на основі ОТО існування гравітаційних хвиль: масивні тіла, рухаючись з прискоренням, випромінюють гравітаційні хвилі. Гравітаційні хвилі повинні поширюватися з тією ж швидкістю, що електромагнітні, тобто зі швидкістю світла. За аналогією з квантами електромагнітного поля прийнято говорити про гравітону як про кванти гравітаційного поля. В даний час формується нова галузь науки - гравітаційно-хвильова астрономія. Є надія, що гравітаційні експерименти дадуть нові результати.
Властивості простору-часу в ОТО залежать від розподілу тяжіють мас, і рух тіл визначається кривизною простору-часу.
Але вплив мас позначається тільки на метричних властивості годин, тому що змінюється лише частота при переході між точками з різними гравітаційними потенціалами. Ілюстрацією відносного ходу часу, на думку Ейнштейна, могло б стати виявлення процесів поблизу передбачених їм чорних дір.
На підставі рівнянь теорії відносності вітчизняний математик-фізик А. Фрідман у 1922р. знайшов нове космологічне рішення рівнянь ЗТВ. Це рішення вказує на те, що наш Всесвіт не стаціонарне, вона безперервно розширюється. Фрідман знайшов два варіанти вирішення рівнянь Ейнштейна, то є два варіанти можливого розвитку Всесвіту. У залежності від щільності матерії Всесвіт чи буде і далі розширюватися, або через якийсь час почне стискатися.
У 1929р. американський астроном Е. Хаббл експериментально встановив закон, який визначає швидкість розльоту галактик в залежності від відстані до нашої галактики. Чим далі розбігаються галактика, тим більше швидкість її розбігання. Хаббл використовував ефект Доплера, відповідно до якого у джерела світла, удаляющегося від спостерігача, довжина хвилі збільшується, тобто зміщується до червоного кінця спектра (червоніє).
ОТО в даний час - найуспішніша гравітаційна теорія, добре підтверджена спостереженнями. Перший успіх загальної теорії відносності полягав у поясненні аномальної прецесії перигелію Меркурія. / c ) 2 . За ЗТВ, перигелії орбіт при кожному оберті планети навколо Сонця повинні переміщуватися на частку обороту, рівну 3 (v / c) 2. Для перигелію Меркурія виходить 43 ", кут повороту перигелію за сто років становить 42,91". Ця величина відповідає обробці спостережень за Меркурієм з 1765 по 1937 р. Так була пояснена прецесія перигелію орбіти Меркурія.
Експериментальні підтвердження теорії відносності, що призвели до зміни властивостей часу і простору:
а - схема установки для доказу затримки часу у рухомих мезонів, передбачена СТО, в гравітаційному полі Землі; б - викривлення лінії поширення світла поблизу Сонця, передбачені ОТО і підтверджені спостереженнями, в - схема прецесії орбіти Меркурія, яка пояснюється ОТО (інакше орбіта представляла б собою нерухомий еліпс)
Потім, в 1919, Артур Еддінгтон повідомив про спостереження відхилення світла поблизу Сонця в момент повного затемнення, що підтвердило передбачення загальної теорії відносності. З тих пір багато інших спостереження та експерименти підтвердили значну кількість передбачень теорії, включаючи гравітаційне уповільнення часу, гравітаційне червоне зміщення, затримку сигналу в гравітаційному полі і, поки лише побічно, гравітаційне випромінювання. Крім того, численні спостереження інтерпретуються як підтвердження одного з найбільш таємничих і екзотичних передбачень загальної теорії відносності - існування чорних дір.
Існує ряд інших ефектів, піддаються експериментальній перевірці. Серед них можна згадати відхилення і запізнювання (ефект Шапіро) електромагнітних хвиль у гравітаційному полі Сонця і Юпітера, ефект Ленза-Тіррінга (прецесія гіроскопа поблизу тіла, що обертається), астрофізичні докази існування чорних дір, докази випромінювання гравітаційних хвиль тісними системами подвійних зірок і розширення Всесвіту.
До цих пір надійних експериментальних свідчень, що спростовують ОТО, не виявлено. Відхилення виміряних величин ефектів від передбачаються ЗТВ не перевищують 0,1% (для зазначених вище трьох класичних явищ). Існують однак явища, не пояснюється за допомогою ОТО: ефект "Піонера"; flyby ефект; збільшення астрономічної одиниці; квадрупольні-октупольная аномалія фонового мікрохвильового випромінювання; темна енергія; темна матерія.
У зв'язку з цими та іншими проблемами ОТО (відсутність тензора енергії-імпульсу гравітаційного поля, неможливість квантування ЗТВ) теоретиками було розроблено не менше 30 альтернативних теорій гравітації, причому деякі з них дозволяють отримати як завгодно близькі до ОТО результати при відповідних значеннях входять в теорію параметрів .
Таким чином, всі відомі наукові факти підтверджують справедливість загальної теорії відносності, яка є сучасною теорією тяжіння.
Питання № 2 Еволюція та структурна організація Всесвіту
Всесвіт - навколишній світ, нескінченний в просторі, в часі і по різноманіттю форм заповнює його речовини і його перетворень.
Світ єдиний, гармонійний і водночас має багаторівневу організацію. Всесвіт - це мегасвіт. Ні жорсткого кордону, однозначно розділяє мікро-, макро-і мегасвіті. При безсумнівному якісну відмінність вони взаємопов'язані. Так, наша Земля являє макросвіт, але в якості однієї з планет Сонячної системи вона одночасно виступає і як елемент мегасвіту. Всесвіт являє собою впорядковану систему окремих взаємопов'язаних елементів різного порядку. Це небесні тіла (зірки, планети, супутники, астероїди, комети), планетні системи зірок, зоряні скупчення, галактики.
Зірки разом з їх планетними системами і міжзоряним середовищем утворюють галактики. Галактика-гігантська зоряна система, яка налічує понад 100млрд зірок, що обертаються навколо її центру. Усередині галактики відзначають зоряні скупчення. Зоряні скупчення - групи зірок, розділені між собою меншим відстанню, ніж звичайні міжзоряні відстані. Зірки в такій групі пов'язані спільним рухом у просторі і мають спільне походження. Галактики утворюють метагалактику. Метагалактика - грандіозна сукупність окремих галактик і скупчень галактик.
У сучасному трактуванні поняття "Метагалактика" та "Всесвіт" частіше ототожнюють. Але іноді метагалактика тлумачиться лише як видима частина Всесвіту, при цьому Всесвіт зводиться до нескінченності. Проте якщо прийняти, що за межами метагалактики існує космічний вакуум, то таку форму матерії було б важко віднести до Всесвіту, бо там немає стійких елементарних частинок і атомів, немає зірок, немає галактик. Тому для нескінченного світу більше підходить філософське поняття матеріального світу, частиною якого є Всесвіт чи метагалактика.
Завданням сучасної астрономії є не тільки пояснення даних астрономічних спостережень, а й вивчення еволюції Всесвіту (від лат. Evolution-розгортання, розвиток). Ці питання розглядає космологія - найбільш інтенсивно розвивається область астрономії.
Вивчення еволюції Всесвіту засноване на наступному:
♦ універсальні фізичні закони вважаються чинними у всьому Всесвіті;
♦ висновки з результатів астрономічних спостережень визнаються распространімимі на весь Всесвіт;
♦ істинними визнаються тільки ті висновки, які не суперечать можливості існування самого спостерігача, тобто людини (антропний принцип).
Концепція універсального еволюціонізму, яка вийшла на глобальний рівень, зв'язала в єдине ціле походження Всесвіту (космогенез), виникнення Сонячної системи і планети Земля (геогенез), виникнення життя (біогенез), людини і людського суспільства (антропосоціогенезу). Таку модель розвитку природи називають також глобальним еволюціонізмом, оскільки саме вона охоплює всі існуючі і подумки представлені прояви матерії в єдиному процесі самоорганізації природи.
Під глобальним еволюціонізмом слід розуміти концепцію розвитку Всесвіту як розвивається в часі природного цілого. При цьому вся історія Всесвіту, починаючи від Великого вибуху і закінчуючи виникненням людства, розглядається як єдиний процес, де космічний, хімічний, біологічний і соціальний типи еволюції спадкоємно і генетично тісно взаємопов'язані. Космічна, геологічна і біологічна хімія в єдиному процесі еволюції молекулярних систем відображає їх фундаментальні переходи і неминучість перетворення на живу матерію.
В основі сучасної космології лежить еволюційний підхід до питань виникнення і розвитку Всесвіту, відповідно до якого розроблено модель Всесвіту, що розширюється.
Ключовою передумовою створення моделі еволюціонує розширення Всесвіту послужила загальна теорія відносності А. Ейнштейна.
Об'єктом теорії відносності виступають фізичні події. Фізичні події характеризують поняття простору, часу, матерії, руху, які в теорії відносності розглядаються в єдності. Виходячи з єдності матерії, простору і часу випливає, що зі зникненням матерії зникли б і простір, і час. Таким чином, до утворення Всесвіту не було ні простору, ні часу. Ейнштейн вивів фундаментальні рівняння, що зв'язують розподіл матерії з геометричними властивостями простору, з ходом часу і на їх основі в 1917р. розробив статистичну модель Всесвіту.
Відповідно до цієї моделі, Всесвіт має такі властивості:
♦ однорідністю, тобто має однакові властивості у всіх точках;
♦ ізотропності, тобто має однакові властивості в усіх напрямках.
З глибокої давнини і до початку нинішнього століття космос вважали незмінним. Зоряний світ уособлював собою абсолютний спокій, вічність і безмежну протяжність. Відкриття у 1929 році вибухоподібного розбігання галактик, тобто швидкого розширення видимої частини Всесвіту, показало, що Всесвіт нестаціонарна. Екстраполюючи процес розширення в минуле, зробили висновок, що 15-20 мільярдів років тому Всесвіт була укладена в нескінченно малий обсяг простору при нескінченно великої щільності і температурі речовини випромінювання (це початковий стан називають "сингулярність"), а вся нинішня Всесвіт кінцева - володіє обмеженим обсягом і часом існування.
Відлік часу життя такий еволюціонує Всесвіту ведуть від моменту, при якому, як вважають, раптово порушилося стан сингулярності і відбувся "Великий Вибух". На думку більшості дослідників, сучасна теорія "Великого Вибуху" (ТПВ) в цілому досить успішно описує еволюцію Всесвіту, починаючи приблизно з 10-44 секунди після початку розширення. Єдиною проломом в прекрасному спорудженні ТПВ вони вважають проблему Начала - фізичного опису сингулярності. Однак і тут переважає оптимізм: очікують, що зі створенням "Теорії Всього Сущого", що об'єднує всі фундаментальні фізичні сили в єдиний універсальний взаємодія, ця проблема буде автоматично вирішена. Тим самим побудову моделі світобудови в найбільш загальних і істотних рисах благополучно завершиться.
15 20 мільярди років - так визначає зараз наука вік Всесвіту. Коли людина не знав цієї цифри, він не міг задаватися питанням, яким він задається сьогодні: що було до цієї дати? До цієї дати, стверджує сучасна космогонія, вся маса Всесвіту була стиснута, була втиснута в якусь точку, вихідну краплю космосу.
Коли Всесвіт перебувала у вихідному точковому стані, поруч, поза її не існувало матерії, не було простору, не могло бути часу. Тому неможливо сказати, скільки тривало це - мить або численні мільярди років. Неможливо сказати не тільки тому, що нам це невідомо, а тому що не було ні років, ні миттєвостей - часу не було. Його не існувало поза точки, в яку була стиснута вся маса Всесвіту, тому що поза її не було ні матерії, ні простору. Часу не було, проте, і в самій точці, де воно повинно було практично зупинитися.
Нам невідомо, чому, в силу якихось причин це вихідне, точкове стан було порушено і сталося те, що означається сьогодні словами "Великий Вибух". Згідно зі сценарієм дослідників, вся спостережувана зараз Всесвіт розміром у 10 мільярдів світлових років виникла в результаті розширення, яке тривало всього 10-30 с. Розлітаючись, розширюючись на всі боки, матерія відсувала безбитіе, творячи простір і почавши відлік часу. Так бачить становлення Всесвіту сучасна космогонія.
Якщо концепція про "Великий Вибух" вірна, то він мав би залишити в космосі свого роду "слід", "відлуння". Такий "слід" був виявлений. Простір Всесвіту виявилося пронизане радіохвилями міліметрового діапазону, розбігаються рівномірно в усіх напрямках. Це "реліктове випромінювання Всесвіту" і є що приходить з минулого слід надщільного, сверхраскаленного її стану, коли не було ще ні зірок, ні туманностей, а матерія являла собою дозвездную, догалактіческую плазму.
Теоретично концепція "розширення Всесвіту" була висунута відомим вченим А. А. Фрідманом в 1922-1924 роках.
Десятиліття потому вона отримала практичне підтвердження в роботах американського астронома Е. Хаббла, який вивчав рух галактик. Хаббл виявив, що галактики стрімко розбігаються, слідуючи якомусь імпульсу, заданому в момент "Великого Вибуху". Якщо розбігання це не припиниться, буде тривати необмежено, то відстань між космічними об'єктами буде зростати, прагнучи до нескінченності.
На основі результатів проведених досліджень Е. Хаббл сформулював важливий для космології закон (закон Хаббла): Чим далі галактики відстоять один від одного, тим з більшою швидкістю вони віддаляються один від одного.
Це означає, що Всесвіт нестаціонарна: вона знаходиться в стані постійного розширення.
За розрахунками Фрідмана, саме так повинна була б проходити подальша еволюція Всесвіту. Однак за однієї умови - якщо середня щільність маси Всесвіту виявиться менше деякої критичної величини (ця величина складає приблизно три атома на кубічний метр). Якийсь час тому дані, отримані американськими астрономами з супутника, що досліджував рентгенівське випромінювання далеких галактик, дозволили розрахувати середню щільність маси Всесвіту. Вона виявилася дуже близька до тієї критичної маси, при якій розширення Всесвіту не може бути нескінченно.
Припущення, що маса Всесвіту значно більше, ніж прийнято вважати, знайшло нове дуже вагоме підтвердження в роботах фізиків. Ними були отримані перші дані про те, що один з трьох видів нейтрино має масу спокою. Якщо решта нейтрино мають ті ж характеристики, то маса нейтрино у Всесвіті в 100 разів більше, ніж маса звичайної речовини, що знаходиться в зірках і галактиках.
Це відкриття дозволяє з більшою впевненістю говорити, що розширення Всесвіту триватиме лише до певного моменту, після якого процес звернеться назад - галактики почнуть зближуватися, стягуючи знову в якусь точку. Слідом за матерією буде стискатися в точку простір. Відбудеться те, що астрономи позначають сьогодні словами "схлопування Всесвіту".
Зауважимо ми чи, скажімо, мешканці інших світів, що існують у космосі, стиснення Всесвіту, початок страшного її повернення в початковий, первозданний хаос? Немає і ніколи. Занадто несумірні періоди життя розумних істот і навіть їх цивілізацій з епохами життя Всесвіту. Ми не можемо помітити повороту часу, який повинен буде статися, коли Всесвіт, досягнувши максимуму свого розбігу, почне стискатися.
Що відбудеться після того, як Всесвіт повернеться в якусь вихідну точку? Після цього почнеться новий цикл, відбудеться черговий "Великий Вибух", праматерия кинеться на всі боки, розсовуючи і творячи простір, знову виникнуть галактики, зоряні скупчення, життя. Така, зокрема, космологічна модель американського астронома Дж. Уїллера, модель поперемінно розширюється й "колапсуючу" Всесвіту.
Відомий математик і логік Курт Гедель математично обгрунтував те положення, що за певних умов наша Всесвіт дійсно повинна повертатися до своєї вихідної точки з тим, щоб потім знову зробити той же цикл, завершуючи його новим поверненням до вихідного свого стану. Цим розрахункам відповідає і модель англійського астронома П. Девіса, модель "пульсуючого Всесвіту". Але що важливо - Всесвіт Девіса включає в себе замкнуті лінії часу, інакше кажучи, час у ній рухається по колу. Число виникнень і загибелі, які переживає Всесвіт, нескінченно.
Відомий американський фізик С. Вайнберг описує це так. Після початку стиску протягом тисяч і мільйонів років не відбудеться нічого, що могло б викликати тривогу наших віддалених нащадків. Проте, коли Всесвіт стиснеться до 1 / 100 теперішнього розміру, нічне небо буде виливати на Землю стільки ж тепла, скільки сьогодні денний. Потім через 70 мільйонів років Всесвіт скоротиться ще в десять разів і тоді "наші спадкоємці та наступники (якщо вони будуть) побачать небо нестерпно яскравим". Ще через 700 років космічна температура досягне десяти мільйонів градусів, зірки і планети почнуть перетворюватися на "космічний суп" з випромінювання, електронів і ядер.
Після стиснення в точку, після того, що ми називаємо загибеллю Всесвіту (але що, може, зовсім і не є її загибель), починається новий цикл. Згадаймо про згадане вже реліктовому випромінюванні, Відлунні "Великого Вибуху", який породив наш Всесвіт. Випромінювання це, виявляється, приходить не лише з минулого, але і "з майбутнього"!
Це відблиск "світової пожежі", що виходить від наступного циклу, в якому народжується нова Всесвіт. Температура реліктового випромінювання, що спостерігається сьогодні, на 3? вище абсолютного нуля. Це і є температура "електромагнітної зорі", що знаменує народження нового Всесвіту.
Всесвіт, що прийде на зміну нашої, чи буде вона її повторенням?
Цілком можливо, відповідають деякі космологи.
Зовсім не обов'язково, заперечують інші. Немає ніяких фізичних обгрунтувань, вважає, наприклад, доктор Р. Дік з Прінстонського університету, щоб кожного разу в момент утворення Всесвіту фізичні закономірності були ті ж, що і в момент початку нашого циклу. Якщо ж ці закономірності будуть відрізнятися навіть самим незначним чином, то зірки не зможуть згодом створити важкі елементи, включаючи вуглець, з якого побудована життя. Цикл за циклом Всесвіт може виникати і знищуватися, не зародили ні іскорки життя. Такою є одна з точок зору. Її можна було б назвати точкою зору "уривчастості буття". Воно переривчасто, навіть якщо в новій Всесвіту і виникає життя: ніякі нитки не пов'язують її з минулим циклом.
За іншою точкою зору, навпаки, "Всесвіт пам'ятає всю свою передісторію, наскільки б далеко (навіть нескінченно далеко) в минуле вона ні йшла".
Всесвіт утворена величезною кількістю галактик. Галактика (від грец. Galaktikos-молочний, молочний) - зоряна система, у свою чергу утворена зірками різних типів, зоряними скупченнями. Крім зірок до складу галактик можуть входити газові, пилові туманності та ін Різним галактик відповідають різні, але цілком певні елементи. Склад галактик залежить від її віку і умов розвитку. Вважають, що середня відстань між галактиками 2млн світлових років, а типова швидкість руху галактик - близько 1000 км / с. Згідно з розрахунками, для проходження відстані до найближчої галактики-сусідки потрібно близько 1 млрд. років, і можливість зіткнення будь-галактики з собі подібної галактикою не виключена.
Галактик - мільярди, і в кожній з них нараховуються мільярди зірок. Припущення про множинність галактик висловлювалися ще в середині VIIIв., Але докази їхнього існування з'явилися тільки в першій чверті ХХ ст.
Галактики утворюють метагалактику (Всесвіт), розміри якої оцінюються в 15-20млрд світлових років, а вік - у 13-15млрд років. Деякі галактики випромінюють радіохвилі з приголомшливою потужністю. Припускають, що в них існує магнітне поле, яке гальмує рух знаходяться там елементарних частинок, а це викликає радіовипромінювання.
У 60-х рр.. ХХ ст. були відкриті квазари - квазізоряних радіоджерел-найпотужніші джерела радіовипромінювання у Всесвіті зі світністю в сотні разів більшою світності галактик і розмірами в десятки разів меншими їх. Природа квазарів поки неясна. Можливо, квазари є ядра нових галактик, а значить, процес утворення галактик продовжується і понині.
Галактики мають свій центр (ядро), вони розрізняються за формою, відповідно до якої їх класифікують як спіральні, еліптичні, кульові, неправильні Внаслідок віддаленості галактик світло від входять до них мільярдів зірок зливається, створюючи враження що світиться туманного речовини, тому галактики отримали назву туманностей .
Найближча до нас велика галактика - спостерігається в сузір'ї Андромеди туманність - Туманність Андромеди. Це спіральна галактика, що знаходиться від нас на відстані близько 2млн світлових років. Вона була відкрита в 1917р. як перший позагалактичне об'єкт.
У 1923р. шляхом спектрального аналізу в цьому об'єкті були виявлені зірки і таким чином доведено його приналежність до іншої галактиці. Туманність Андромеди має супутники еліптичної або кулястої форми - більш дрібні галактики. Ще одна спіральна галактика знаходиться в сузір'ї Трикутника. За розмірами вона менша Туманності Андромеди і не має супутника.
Галактики утворюють групи галактик. Таких груп у Всесвіті безліч, вони можуть бути малими й великими. Так, величезна хмара, що спостерігається в сузір'ї Діви, складається із сотень галактик. До складу однієї з груп - Місцевого скупчення-входять спіральні галактики разом зі своїми супутниками: Туманність Андромеди, галактика в сузір'ї Трикутника і наша Галактика.
Пилові туманності-хмари в міжзоряному просторі, утворені дуже дрібної космічним пилом.
Космічний пил перешкоджає проходженню світла від зірок, поглинаючи його. Більшою мірою поглинається короткохвильова, синьо-зелена частина спектра, тому світло зірок стає більш жовтуватим і навіть червонуватим. Космічний пил є істотною перешкодою для досліджень, оскільки вона спотворює світло зірок, послаблює їх блиск, а більш далекі з них робить зовсім невидимими. Вважають, що в малій частці космічний пил утворюється від зіткнення і руйнування дрібних твердих тіл, але в своїй основній масі вона виникає, ймовірно, внаслідок згущення міжзоряного газу.
Міжзоряний газ був виявлений по лініях поглинання в спектрах зірок. До його складу входить переважно водень, у меншій мірі - гелій, вміст азоту та інших легких газів невелике. Міжзоряний газ у вкрай низьких концентраціях є в більшій частині міжзоряного простору, а в окремих місцях утворює скупчення - газові туманності Вважають, що газ в туманностях частково є залишком тих газів, з яких колись виникли зірки, а також виникають і тепер: він викидається зірками. У місцях скупчення газу може міститися значна кількість космічного пилу - це газово-пилові туманності.
Газові і газово-пилові туманності завдяки їх світіння вивчають за допомогою астрономічних приладів. Світіння газів у великих газових туманностях можна спостерігати тому, що товщина їх величезна, а загальна маса складає від декількох десятків до сотень тисяч мас Сонця. Газові туманності бувають різних розмірів і різної, частіше неправильної, форми. Туманності правильною, округлої форми - невеликі. Їх називають планетарними.
На відміну від великих газових туманностей маса планетарних туманностей дуже мала: вона становить десяті і навіть соті частки маси Сонця. У центрі кожної такої туманності є ядро - невелика зірочка. Вважають, що це найгарячіші з зірок, оскільки їх випромінювання змушує світитися планетарну туманність. Планетарні туманності утворюються з газів, що виділяються зіркою. Вони недовговічні, оскільки повільно, зі швидкістю кілька кілометрів на секунду, розширюються в просторі і з часом розсіюються. Згідно з розрахунками, планетарні газові туманності можуть бути видимими близько 10тис. років.
Дві туманності, що спостерігаються в південній півкулі неба, являють собою галактики неправильної форми. Це Велике і Мале Магелланові Хмари-супутники нашої Галактики. Відстань до них оцінюється в 120тис. світлових років, а розміри цих галактик становлять 26 і 17тис. світлових років. За даними досліджень, вони складаються із зірок всіляких типів, а також з газових і пилових туманностей. У них є розсіяні і кульові зоряні скупчення. Наша Галактика за формою дуже схожа на Туманність Андромеди, обидві мають супутники. За розмірами наша Галактика трохи менше.
Наша Галактика називається Чумацький Шлях. Чумацький Шлях оперізує все небо як гігантська світиться стрічка. Це доволі велика галактика, що має діаметр близько 100тис. світло. років і включає в себе більш 100млрд зірок, в тому числі Сонце. Повна маса Галактики дорівнює 150млрд сонячних мас. Більш яскраві, близькі зірки розташовані тим густіше, ніж вони ближче до середньої лінії Чумацького Шляху. Середню лінію Чумацького Шляху називають галактичним екватором. Площина галактичного екватора - це площина симетрії нашої зоряної системи.
Зоряні скупчення, зірки, газові туманності, хмари космічного пилу - 95% маси Галактики - зосереджені в основному в районі цієї площини. Тільки кульові зоряні скупчення і зірки деяких типів не підкоряються цим законом: вони заповнюють сферичний обсяг, концентруючись з усіх сторін до центру Галактики. На частку сферичної складової припадає близько 5% речовини Галактики.
Таким чином, більша частина зірок нашої Галактики зосереджена в гігантському "диску" товщиною близько 1500 світлових років. Наша Сонячна система знаходиться дуже близько до галактичної площини, в якій зірки розташовані найбільш тісно.
З-за хмар пилу, що послаблюють світло далеких зірок, дуже важко з'ясувати подробиці будови Галактики. Встановлено, що Наша Галактика має спіральне будова. З її ядра виходять дві (можливо, більше) спіральні гілки. Вони складаються із зірок, газових і пилових туманностей і закручуються навколо ядра. Розташування спіральних гілок точно поки що не з'ясовано, але Сонце знаходиться між ними, а самі гарячі і яскраві зірки групуються в зоряних хмарах, безпосередньо утворюють спіральні гілки.
Багато незрозумілого пов'язано з ядром Галактики. Його лінійні розміри оцінюють приблизно в 4000 світлових років. Ядро є джерелом дуже потужного випромінювання. Однак на зоряному небі ядро Галактики не видно, оскільки заслонене хмарами космічного пилу, через які його світло не доходить до нас. Ядро можна спостерігати, тільки застосовуючи особливі способи фотографування. Навколо ядра Галактики всі зірки обертаються з різною швидкістю.
Швидкість руху Сонячної системи навколо центру Галактики - близько 250 км / с. На один оборот їй потрібно приблизно 200млн років. Відстань від Сонця до центру Галактики - близько 30тис. світлових років, а до її краю - трохи менше. Чим ближче до краю Галактики, тим розріджені зірки.
Світло всіх далеких і слабких зірок зливається для нас у суцільне кільце Чумацького Шляху. Припускають, що навколо багатьох зірок повинні бути планетні системи. Навіть якщо тільки на тисячу зірок припадає одна заселена планета, то й тоді у всій Галактиці таких планет повинно бути 100 мільйонів.
Питання № 3. Що являє собою процес фотосинтезу? Порівняйте клітинне дихання і фотосинтез.
Фотосинтез - це процес, від якого залежить все життя на Землі. Він відбувається лише в рослинах. У ході фотосинтезу рослина виробляє з неорганічних речовин необхідні для всього живого органічні речовини. Діоксид вуглецю, що міститься в повітрі, проникає в листя через особливі отвори в епідермісі аркуша, які називають устьицами; вода і мінеральні речовини надходять з грунту в коріння і звідси транспортуються до листя по провідній системі рослини. Енергію, необхідну для синтезу органічних речовин з неорганічних, поставляє Сонце; ця енергія поглинається пігментами рослин, головним чином хлорофілом. У клітці синтез органічних речовин відбувається в хлоропластах, які містять хлорофіл. Вільний кисень, також утворюється в процесі фотосинтезу, виділяється в атмосферу.
Воснове фотосинтезу лежить перетворення електромагнітної енергії світла вхіміческую енергію. Ця енергія, нарешті, дає можливість перетворювати діоксид вуглецю вуглеводи идругие органічні сполуки свиделеніем кисню.
Фотосинтез, що є одним з найпоширеніших процесів на Землі, зумовлює природні кругообіги вуглецю, кисню та інших елементів і забезпечує матеріальну та енергетичну основу життя на нашій планеті.
Щорічно в результаті фотосинтезу у вигляді органічної речовини зв'язується близько 8.10 10 т вуглецю, утворюється до 10 11 т целюлози. Завдяки фотосинтезу рослини суші утворюють близько 1,8 · 10 11 т сухої біомаси на рік; приблизно така ж кількість біомаси рослин утворюється щорічно у Світовому океані. Тропічний ліс вносить до 29% у спільну продукцію фотосинтезу суші, а внесок лісів всіх типів становить 68%. Фотосинтез є єдиним джерелом атмосферного кисню.
Процес фотосинтезу є основою харчування всіх живих істот, а також постачає людство паливом (деревина, вугілля, нафта), волокнами (целюлоза) і незліченними корисними хімічними сполуками. З діоксиду вуглецю і води, пов'язаних з повітря вході фотосинтезу, утворюється близько 90-95% сухої ваги врожаю. Решта 5-10% припадають на мінеральні солі і азот, отримані з грунту.
Людина використовує близько 7% продуктів фотосинтезу в їжу, як корм для тварин і у вигляді палива та будівельних матеріалів.
Процес фотосинтезу є акумулюванням енергії в клітині, а процес клітинного дихання - окислення утвореної при фотосинтезі глюкози є зворотним до фотосинтезу виділенням енергії. При окисленні вивільняється енергія розколення хімічних зв'язків у вуглеводнях.
Подібність: обидва процеси забезпечують клітину енергією (АТФ), йдуть у кілька стадій.
Відмінності
Ознака | Фотосинтез | Клітинне дихання |
Використовувані речовини | вуглекислий газ і вода | глюкоза та інші органічні речовини, кисень |
Мета процесу | синтез глюкози | виділення АТФ |
Перетворення енергії | енергія світла ® енергія хімічних зв'язків глюкози | енергія хімічних зв'язків глюкози ® енергія макроергічних зв'язків АТФ |
Місце утворення АТФ | хлоропласти | мітохондрії |
Найважливіші етапи процесу | світлова і темнова фази (цикл Кальвіна) | анаеробний (гліколіз) та аеробний (цикл Кребса) етапи |
Ставлення до світла | йде тільки на світлі | світло не потрібне |
Кінцеві продукти | глюкоза і кисень | вуглекислий газ і вода |
Сумарне рівняння | 6Н 2 О +6 СО 2 + енергія світла ® С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 | З 6 Н 12 О 6 +6 О 2 ® 6Н 2 О +6 СО 2 + 38АТФ |
Список використаної літератури
Лелек І. А., Голіков П. А., Зайцев В. В. Концепція сучасного природознавства .- СПб.: Пітер, 2006.
Аруцев А.А., Єрмолаєв Б.В., Кутателадзе І.О., Слуцький М.С. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. - М.: Вища освіта, 2006.
Дубніщева Т.Я. Концепції сучасного природознавства: навч. посібник для студ. вузів-6-е вид., испр. і доп. - М.: Видавничий центр "Академія", 2006.
Концепції сучасного естествознанія. / Под ред. Михайлова Л.А.-СПб, Пітер, 2009
Садохін А. П. Концепції сучасного природознавства .- М.: Омега, 2007.
Тимофєєв-Ресовський Н. В., Яблоков А. В., Воронцов М. М. Короткий нарис теорії еволюції .- М., 2006.
Федосін С.Г. Теорії фізики і нескінченна вкладеність матерії .- Перм, 2009