Галактики. Космические расстояния

Галактики — гигантские скопления звезд, пыли и газа, про­низанные магнитными

полями и космическими лучами. Самой близкой к нам галактикой, расположенной

на расстоянии 1,5 млн световых лет, является туманность Андромеды. Самой

иссле­дованной является Местная группа галактик, в которую входят наша

Галактика (Млечный путь) и туманность Андромеды. Наиболее распространенной

является спиральная форма га­лактик. К этому типу относятся наша Галактика, а

также туман­ность Андромеды. В галактиках спиральной формы находятся наиболее

горячие звезды и массивные облака космического газа. Счита­ется, что в

некоторых галактиках ядро представляет собой чер­ную дыру. Так, в центре ядра

нашей Галактики находится скоп­ление звезд с сильным радиоисточником, который

называют Стрелец А. Предполагается, что Стрелец А является черной ды­рой с

массой, примерно равной миллиону солнечных масс. Пространство между

галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями

(электромагнитными, гравитацион­ными, потоками нейтрино и субатомных частиц).

Основное ве­щество, составляющее межзвездный газ — водород, на втором месте —

гелий. Наша Галактика — Млечный путь — имеет форму диска с выпуклостью в

центре — ядром, от которого отходят спирале­видные рукава. Солнечная система

расположена в одном из ру­кавов. Млечный путь насчитывает около 200 млрд

звезд. Возраст нашей Галактики око­ло 15 млрд лет. Квазары-звездные объекты-

это последнее, что видно во вселенной. асстояние до них более 10 млрд.

световых лет. Свойства Галактики- постоянное расширение, т.е Квазары улетают

от нас со скоростью 50 т. км/с., расширение идет с замедлением- чем дальше,

тем медленнее, т.е. это может длиться бесконечно. Вселенная однородна,

одинакова во всех направлениях. Во вселенной нет центра. Вселенная

безгранична, но конечна. Центр вселенной находится там, где находится

наблюдатель. А.Е.-астрономическая единица. С.Г.- световой год-расстояние, за

которое луч света проходит в течении года. Парсек-3 световых года.

Метагалактика и Вселенная

Метагалактика — это доступная наблюдениям часть Все­ленной. Метагалактика

представляет собой упорядо­ченную систему галактик. Мета­галактика постоянно

расширяется, т.е. наша Вселенная нестационарна. Метагалактика имеет сетчатую

(ячеистую) структуру, т.е. галактики распределены в ней не равномерно, а

вдоль опре­деленных линий — как бы по границам ячеек сетки. Такое строе­ние

свидетельствует, что в небольших объемах Метагалактика неоднородна. Гипотеза

«множественно­сти вселенных» допускает существование множества миров,

образовавшихся в результате Большого Взрыва. Эти вселенные различаются своими

физическими свойствами, типом организа­ции, нестационарности и т.п., и в силу

этого мы не можем их наблюдать. Тем не менее предполагается, что разные

вселенные связаны друг с другом неизвестным пока способом. Есть гипотеза, что

Метага­лактика не есть вся Вселенная, а лишь ее часть. Если это «эмпирически»

подтвердится, то «масштаб» человека и цен­ность его существования могут

подвергнуться новой радикаль­ной переоценке, что, возможно, скажется через

опосредствую­щие институты (средства коммуникации, культура и т.д.) на всем

мировоззрении точно так же, как в свое время сказался поворот Коперника,

послед­ствия которого едва ли вообще поддаются полному объясне­нию.

Эволюция вселенной. Физический вакуум. Закон Хабба

Исходя из того, что Вселенная расширяется 15 млрд. лет, то естественно, что

15 млрд. лет назад она была 0. Эта точка называется сингулярностью. –t=0, M

приблизительно = 10 в 93 степени – это точка начала жизни вселенной.

Физический вакуум-такое состояние пространства, в котором количество частиц =

0. В физическом вакууме времени нет. В физическом вакууме произошла

флуктуация (возмущение). Теорию большого взрыва разработал Гамов. После

взрыва следует расширение. Дальше последовали этапы эволюции.Этапы эволюции

Вселенной называются эрами. Адронная эра: длительность 10~7 с, температура

Вселенной составляет 1032 К. Главными действующими лицами являются

элементарные частицы, между которыми осуществляется силь­ное взаимодействие.

Вселенная представляет собой разогретую плазму. Лептонная эра: длительность

10 с, температура Вселенной 1015 К. Главные действующие лица— лептоны

(электроны, по­зитроны и др.). Эра излучения: длительность 1 млн лет,

температура Вселен­ной 10 000 К. В это время во Вселенной преобладало

излучение, а вещество было ионизированным. Эра вещества: длится и сейчас.

Вселенная остывает, стано­вится нейтральной и темной, образуется вещество. В

начале этой эры возникают первые протозвезды и протогалактики. Из­лучение

перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться по

Вселенной. Именно эти фотоны и нейтрино, остывшие до 3 К, наблюдаются сейчас

в виде релик­тового излучения. Э. Хаббл обнару­жил эффект «красного смещения»

в спектрах удаленных галактик. «Красное смещение» означает понижение частот

электромагнит­ного излучения при удалении источника света от наблюдателя.

Т.е. если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая частота

излучений уменьшается, а длины волн увеличиваются, линии ви­димого спектра

смещаются в сторону более длинных красных волн. Оказалось, что «красное

смещение» пропорционально рас­стоянию до источника света. Исследования Э.

Хаббла подтверди­ли, что удаленные от нас галактики разбегаются, т.е.

Вселенная находится в состоянии расширения, а значит нестационарна. Дру­гим

важным экспериментальным свидетельством в пользу гипоте­зы расширяющейся

Вселенной стало открытие реликтового излу­чения — слабого радиоизлучения,

свойства которого являются в точности такими, какими они должны были быть на

этапе горячей, взрывной Вселенной.

Жизнь и разум во вселенной. Опасность Космоса

Большинство современных астрономов и философов считают, что жизнь —

распространенное явление во Вселенной и существует множество миров, на

которых обитают цивилизации. Уровень развития некоторых внеземных цивилизаций

может быть неизмеримо выше уровня развития земной цивилизации. Именно с

такими цивилизациями землянам особенно интересно установить контакт. На

развитие мнения о множестве цивилизаций повлияло несколько аргументов. Во-

первых, в метагалактике есть огромное число звезд, похожих на наше Солнце, а,

следовательно, планетные системы могут существовать не только у Солнца. И

более того исследования показали, что некоторые звезды определенных

спектральных классов вращаются медленно вокруг своей оси, что может быть

вызвано наличием вокруг этих звезд планетных систем. Во-вторых, при

соответствующих условиях жизнь могла возникнуть на планетах других звезд по

типу эволюционного развития жизни на Земле. Молекулярные соединения,

необходимые для начальной стадии эволюции неживой природы, достаточно

распространены во Вселенной и открыты даже в межзвездной среде. Продолжаются

споры о реальности внеземных цивилизаций, но лишь дальнейшие наблюдения и

эксперименты позволят выяснить, существуют ли где-нибудь обитаемые миры или

мы одиноки, по крайней мере, в пределах нашей Галактики. Поиск разума

сводится к радиоконтакту.

Строение атома

Резерфорд предложил следующую схему строения атома. В центре атома находится

положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются

электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается

притяжением между ядром и электронами, вследствии этого остаются на

определенных расстояниях от ядра. Как масса электрона ничтожна мала, то

почти вся масса сосредоточена в его ядре.

Понятие кванта. Формула Планка

В 1900 г. немецкий физик М. Планк своими исследования­ми продемонстрировал,

что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями —

квантами, энергия ко­торых зависит от частоты световой волны. Теория М.

Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности

электродинамики Дж. Максвелла (2.3). Эксперимен­ты М. Планка привели к

признанию двойственного характера света, который обладает одновременно

корпускулярными и вол­новыми свойствами. Понятно, что такой вывод был

несовмес­тим с представлениями классической физики. Теория М. Планка положила

начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в

микромире.

При переходе электрона из одного состояния в другое, испускается фотон,

частота которого определяется формулой v=E1-Ek/h

31. Принцип неопределенности. Поведение квантовых объектов

Вернер Гейзенберг математически выразил принцип неопределенности. Оказалось,

что не только координату, но и импульс частицы невозможно точно определить.

Согласно этому принципу, чем точнее определяется местонахождение данной

частицы, тем меньше точности в определении ее скорости и наоборот.

32. Атомизм. Континуальность и Дискретность

Левкипп и Демокрит сформулировали понятие об атомах. Существенный вклад в

атомистику был сделан А. Лавуазье, опубликовавшим в 1789 г. “Начальный учебник

химии”, в кот. он ряд элементов назвал “простыми”, т. е. не разлагавшимися. И,

наконец, в начале XIX в. атомистика стала теорией, важнейшей для познания

химических явлений благодаря исследованиям Дальтона и Берцеллиуса. Именно

Дальтон в 1824 г. дал название “атом” наимельчайшей частице “простого” вещ-ва.

С этого момента химия встала на научную основу, хотя многое в ней не было

осознано до тех пор, пока Д. И. Менделеев в 1869 г. не разработал свою

знаменитую Периодическую таблицу элементов. В 1834 г. М. Фарадей провел серию

исследований с целью выяснить природу того, что называли электричеством.

Результаты исследований свойств электрона и радиоактивности позволили строить

конкретные модели атома. В модели, предложенной Томсоном в 1903 г. атом

представлялся в виде положительно заряженной сферы. Неожиданный результат

опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц атомами показал, что внутри атома

существует очень малое по размеру плотное положительно заряженное ядро. В связи

с этим Резерфорд предложил принципиально новую модель атома, напоминающую по

своему строению Солнечную систему и получившую название планетарной. Она имеет

следующий вид. В центре находится положительно заряженное ядро, размеры

которого составляют примерно 10^-12 см, размеры же атома 10^-8

см. Вокруг ядра движутся электроны подобно планетам вокруг солнца. Эта модель

атома Резерфорда, дополненная постулатами Бора, явилась основой всей атомной

физики и существует до настоящего времени. Атомная физика была развита методами

квантовой механики. Согласно квантовой механике электрон распространен во всем

пространстве, хотя действует как единое целое. Устойчивые движения электрона в

атоме, соответствуют стоячим волнам, амплитуды которых в разных точках

различны. Дискретность-прерывность. Континуальность-непрерывность.

Элементарные частицы

Элементами структуры микромира выступают микрочасти­цы. На данный момент

известно более 350 элементарных час­тиц, различающихся массой, зарядом,

спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик. Масса

элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению

к массе покоя электрона. Частицы с нулевой массой покоя движутся со скоростью

света (фотон). По массе элементарные частицы делятся на тяжелые (барионы),

промежуточные (мезоны) и легкие (лептоны). Заряд элементарной частицы всегда

кратен заряду электро­на (—1), который рассматривается в качестве единицы.

Суще­ствуют, однако, элементарные частицы, которые не имеют заря­да,

например, фотон. Спин элементарной частицы — это собственный момент импульса

частицы. В зависимости от спина, частицы делятся на две группы: с целым

спином (О, 1, 2)— бозоны, с полуцелым спином (1/2 и др.) — фермионы. Время

жизни элементарной частицы определяет ее стабиль­ность или нестабильность. По

времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные.

Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы жи­вут

несколько микросекунд, стабильные не распадаются дли­тельное время.

Нестабильные частицы распадаются в результате сильного и слабого

взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон,

протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре, в свободном

состоянии он также распадается. Квазистабильные час­тицы распадаются в

результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют

резонансными. Время жизни резонансов — порядка 10—22 с. Все многообразие

элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в

сильном взаимодей­ствии — адроны, частицы, не участвующие в сильном

взаимо­действии — пептоны, и частицы — переносчики взаимодей­ствий. К адронам

относятся нейтроны, протоны, барионы, мезоны. Адроны участвуют в

электромагнитном, сильном и слабом взаи­модействии. К пептонам относятся

электроны, нейтрино, мюоны, тау-лептоны, а также электронные нейтрино,

моюнные нейтрино, тау-нейтрино. Заряженные лептоны участвуют в

электромаг­нитном и слабом взаимодействии, нейтральные — только в сла­бом.

Частицы — переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают

взаимодействия. К ним относятся фотоны — пере­носчики электромагнитного

взаимодействия, глюоны — перенос­чики сильного взаимодействия, бозоны —

переносчики слабого взаимодействия. Высказывается предположение о

существовании гравитонов — частиц, обеспечивающих гравитационное

взаимо­действие.

Теория кварков. Планковская длина. Суперструны

Кварки — это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное

наблюдение пока невозможно, однако теоре­тические положения кварковой

гипотезы оказались плодотворны­ми, а теория в целом эвристичной. Квар­ки

представляют собой истинно элементарные частицы и поэто­му бесструктурны.

Главная особенность кварков — дробный заряд. Кварки различаются спином,

ароматом и цветом. Аромат кварка-это его особая физичес­кая характеристика.

Для того чтобы учесть все известные адро­ны, необходимо было предположить

существование шести ви­дов кварков, различающихся ароматом: u (up — верхний),

d (down — нижний), s (strange — странный), c (charm — очарова­ние), b (beauty

— прелесть) и t(top — верхний). Существует ус­тойчивое мнение, что кварков не

должно быть больше. Считается, что каждый кварк имеет один из трех возмож­ных

цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Цвет кварка,

как и аромат, — условное название для определенной физической характеристики.

Каждому кварку соответствует антикварк с противополож­ным цветом

(антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя

барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединясь

тройками, со­ответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и

антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или ан­тикварков,

независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка

(антибарионы) или кварк и антикварк (ме­зоны), должен быть белым или

бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного —

антикрасного, синего — антисинего и т.п. Кварки объединяются между собой

благодаря сильному взаи­модействию. Переносчиками сильного взаимодействия

выступа­ют глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны

также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например

красный — антисиний и т.п., т.е. глюон состоит из цвета и антицвета.

Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат.

Известно восемь типов глюонов.