Методическое пособие для студентов дневного отделения всех специальностей Черкесск, 2008 Рекомендовано к публикации кафедрой физики, протокол №4 от 18. 12. 07г
Скачать 0.93 Mb.
|
6.2. Наше место в пространстве Чтобы составить некоторое представление о границах Вселенной, необходимо, прежде всего, знать наше местоположение в ней. Планета Земля вместе с восемью другими планетами, обращающимися вокруг Солнца, образуют Солнечную систему. Солнце представляет собой типичную звезду, и остальные звезды, которые мы видим на ночном небе, - почти те же солнца (быть может, только несколько больше и ярче его), возможно, также имеющие планетные системы. В пространстве звезды распределены не случайным образом, а собраны в гигантские структуры, по виду напоминающие колесо, которые называются галактиками. Широкая светлая полоса на небе, известная под названием Млечный Путь, при наблюдении в телескоп оказывается гигантским скопление звезд, газа и пыли; это наиболее яркая часть нашей Галактики. Млечный Путь кажется светлой полосой, поскольку наша Галактика напоминает по форме диск. Наибольшее количество звезд в ней сосредоточено в плоскости диска. Солнце расположено от центра диска на расстоянии примерно в две третьих его радиуса. Галактика не имеет резкого края; вся эта структура окружена далеко простирающимся гало из звезд, удаленных на огромные расстояния друг от друга. Посмотрев за пределы нашей Галактики, мы можем увидеть другие галактики, по форме напоминающие нашу; они разбросаны вокруг нас, образуя скопление. Типичной галактикой является Туманность Андромеды, видимая невооруженным глазом как расплывчатое светлое пятно. Эта локальная группа в свою очередь входит в более крупное галактическое скопление и т. д. Современные телескопы позволили обнаружить, что Вселенная заполнена скоплениями галактик, миллионы которых равномерно распределены в пространстве. Из галактик и построена Вселенная. Расстояния, с которыми имеет дело астрономия, поистине ужасающи. Если выражать их в километрах, то быстро запутаешься в нулях. Более привычной единицей измерения расстояний здесь является световой год - расстояние, которое свет (его скорость распространения наиболее высокая) проходит за один год. Световой год равен примерно 9,5 млн. км, но более наглядное представление о его величине мы получим, вспомнив, что свет преодолевает расстояние от Солнца до Земли (150 млн. км) всего лишь за 8,5 мин. Луна находится от Земли на расстоянии около одной световой секунды. В этих единицах поперечник Солнечной системы составляет несколько световых часов, а ближайшая звезда находится от нас на расстоянии чуть больше 4 лет. Радиус нашей Галактики составляет примерно 100 тыс. св. лет, и в этом необъятном пространстве сосредоточено не менее 100 млрд. звезд. Расстояния до других галактик измеряются миллионами световых лет. "Соседняя" галактика, Андромеда, расположена на расстоянии около 2,5 млн. св. лет от нас, а самые мощные телескопы позволяют обнаруживать галактики, удаленные на расстояния порядка 10 млрд. св. лет. Такая картина Вселенной построена сравнительно недавно. У всех древних цивилизаций существовало убеждение, что Земля находится в центре мироздания. И хотя астрономия во многих древних обществах была довольно развита, подлинное понимание природы звезд, и структуры Вселенной пришло только с развитием современной науки. В древней Европе космологические идеи, как правило, заимствовались у древнегреческих философов. В VI в. до н.э. Пифагор разработал представление о сферической Земле, находящейся в центре сферической Вселенной. Небесные тела считались божественным творением, и представления об их круговых вращательных движениях диктовались соображениями геометрического совершенства. На протяжении столетий греки развивали эту основополагающую концепцию. Наивысшим достижением древнегреческой астрономии явилась сложная модель миря, созданная Клавдием Птолемеем во II в. Вселенная Птолемея представляла собой набор взаимопересекающихся вращающихся сфер, призванных воспроизвести сложные движения Луны и планет. В этих первых моделях Вселенная обычно имела конечные размеры, но проблема "границы мира" вызывала немалую озабоченность у мыслителей того времени. Римский поэт Лукреций привлек внимание к ней, задавшись вопросом, что произойдет, если кто-нибудь, дойдя до "края света", метнет копье. Наткнется ли оно на преграду? Одни модели давали положительный ответ на вопрос Лукреция, так как в них Вселенная считалась ограниченной своего рода стеной или непроницаемой поверхностью. Эта странная идея просуществовала до времен Кеплера, т. е. до XVI в. Представлению о четкой границе Аристотель (384-322 до н.э.) предпочел картину плавного, постепенного перехода физического мира в мир духов и эфирных субстанций. И в наши дни эта идея находит отклик у некоторых людей, убежденных в существовании за видимым небосводом "царствия небесного", и многие наши суеверия и религиозная символика основаны на аналогичных представлениях. Слово "небесный" до сих пор имеет смысл не только астрономический, но и возвышенно духовный. Еще одно космологическое предание связано с пустотой. В соответствующей модели материальная Вселенная считалась конечной, но ее внешние границы отнюдь не означали предела всего сущего. За границами Вселенной до бесконечности простиралось пустое пространство. Но какова бы ни была природа край света, неизменно считалось, что Земля находится в центре мира. Эти идеи потерпели крах в средние века, когда Николай Коперник провозгласил, что в центре мироздания находится Солнце, а не Земля и что планеты обращаются вокруг этого центра. В модели Коперника Вселенная все еще имела конечные размеры и внешнюю границу - сферу неподвижных звезд. Вскоре Томас Диггс предложил отказаться от внешней границы Коперника, противопоставив ей модель, где звезды были рассеяны по безграничному пространству. Идею бесконечной Вселенной тысячелетием ранее проповедовали Лукреций и представители так называемой школы атомистов, но мистические и религиозные аспекты бесконечного нередко выступали на первый план, затуманивая суть вопроса. Так, Джордано Бруно был сожжен по приказу церкви за проповедь идеи бесконечной множественности миров. Развитие научной астрономии, в особенности создание больших телескопов и изобретение спектроскопа, резко изменило представление человечества о мироздании. Наблюдения показали, что Млечный Путь представляет собой "островную Вселенную", состоящую из разрозненных частей. Даже в начале прошлого века продолжались споры о том, является ли Млечный Путь галактикой, находящейся в бесконечной пустоте, или за пределами нашей Галактики существуют другие островные миры. Некоторые астрономы полагали, что, отправившись достаточно далеко в космическое пространство, можно взглянуть оттуда на все сущее и увидеть все звезды мира, сконцентрированные в одной области, и безграничную пустоту за ее пределами. 4.3. Наше место во времени Хотя вопросу о нашем месте в пространстве невозможно придать сколько-нибудь общий смысл, космологи часто рассуждают о возрасте Вселенной. Вопрос "Когда?" во многом перекликается с вопросом "Где?" применительно к пространству, и споры и неразбериха по нему также имеют долгую историю. Платон учил, что мир как творение Бога совершенен и потому неизменен в своих основных чертах. И хотя ото дня ко дню мы замечаем какие-то изменения, на протяжении больших отрезков времени - эонов - вещи остаются неизменными. Если бы Платон был прав, то мир не мог возникнуть в какой-то момент времени, а существовал бы вечно. Вопрос о нашем месте во времени утратил бы смысл, ибо время не имело бы начала. Другая традиционная точка зрения основана на идее о сотворенном мире, который имеет конечный возраст и непрестанно претерпевает необратимые изменения. И если в момент творения мир, возможно, был совершенен, то он не остается таковым, хотя вполне мог бы начать эволюционировать (или стремиться) в сторону совершенства. Мифы о сотворении мира бесчисленны и обычно весьма фантастичны. Научная версия происхождения мира была детально разработана совсем недавно. Она восходит к работам Хаббла по внегалактическим объектам, выполненным в 20-е годы нашего столетия. Тщательно исследовав спектры далеких галактик, Хаббл совершил неожиданное открытие, которое легло в основу современной научной космологии. По изменению спектра излучения галактик - так называемому красному смешению - Хаббл установил, что они удаляются от нас с огромной скоростью. Систематическое исследование характера движения и его зависимости от расстояния показало, что галактики, кроме того "разбегаются" друг относительно друга. По существу вся Вселенная в каждой точке находится в состоянии расширения. Расширение Вселенной порождает определенные трудности при попытке наглядно представить себе этот процесс, что еще более запутывает поиск ответа на вопрос "Где?" Трудно удержаться от искушения мысленно рассматривать процесс расширения как взрыв сгустка материи, осколки которого разлетаются в беспредельном изначально существовавшем вакууме. Если исходить из такого ошибочного представления, то размеры Вселенной должны непрерывно увеличиваться по мере того, как внешние осколки все далее улетают в пустоту. Но, как мы уже знаем, подобная картина Вселенной неудовлетворительна, поскольку предполагает существование "края света". В более последовательной и корректной модели расширяется пространство между галактиками. В качестве аналогии удобно рассмотреть медленно раздувающийся воздушный шар. Представим себе, что поверхность шара покрыта точками, изображающими галактики. Когда шар раздувается, его резиновая оболочка растягивается, и точки на ее поверхности все дальше отходят друг от друга. Заметим, что сами точки на поверхности не движутся в направлении к чему-нибудь или от чего-нибудь. Раздвижение точек происходит вследствие расширения самой поверхности. Впервые возможность существования расширяющейся Вселенной была установлена в работах советского физика и математика А.А. Фридмана. Впоследствии это предсказание было подтверждено наблюдениями американского астронома Э. Хаббла. Расширяющаяся Вселенная весьма напоминает трехмерный аналог раздувающегося воздушного шара, и неправильно представлять себе галактики мчащимися через пространство в разные стороны от общего центра расширения. В действительности пространство между галактиками, разрастаясь (вытягиваясь), раздвигает галактики относительно друг друга. Способность пространства вытягиваться следует из общей теории относительности Эйнштейна, которую мы постараемся объяснить в последующих главах. Тот факт, что мы видим, как далекие галактики разбегаются от нас, вовсе не означает, что мы находимся в центре расширяющейся Вселенной; с тем же успехом любую точку на поверхности раздувающегося воздушного шара можно принять за ее центр. (У самой поверхности шара нет центра.) Следовательно, Вселенная не расширяется куда-то, а просто вся увеличивается в размере. Но если Вселенная раздувается, то в прошлом она должна была находиться в сжатом состоянии, и, экстраполируя назад во времени, мы приходим к заключению, что около 15 млрд. лет назад космическая материя должна была иметь необычайно высокую плотность. В этом суть теории Большого взрыва, согласно которой ныне наблюдаемая Вселенная возникла в результате гигантского взрыва. По современной версии этой теории для ранних стадий Большого взрыва характерны необычайно высокие температура и плотность; при таких условиях ни один из современных элементов строения Вселенной, включая атомы, не мог существовать. Важное подтверждение такого сценария было получено в 1965 г., когда два специалиста по дальней связи из фирмы "Белл телефон лабораторис" обнаружили таинственное излучение, идущее из космического пространства. Физики и астрономы быстро идентифицировали это космическое фоновое излучение как реликтовое тепловое излучение Большого взрыва, своего рода отблески той огненной вспышки, которая 15 млрд. лет назад ознаменовала рождение нашего мира. Процесс Большого взрыва часто неверно трактуется наподобие взрыва глыбы вещества в уже существовавшем вакууме. Но, как известно, пространства вне Вселенной не существует. Большой взрыв следует рассматривать как событие, в результате которого возникло и само пространство. Таким образом, научная картина "сотворения мира" оказывается глубже библейской, ибо она отражает рождение не только материи, но и пространства. Последнее возникает не каким-то иным путем, а непосредственно в результате Большого взрыва. Следовательно, Большой взрыв не есть событие, которое произошло во Вселенной; это было само рождение Вселенной, целиком и буквально из ничего. Другая важная особенность Большого взрыва связана со временем. Многие космологи считают, что время до Большого взрыва не существовало, т. е. не было никакого "прежде". Один из уроков новой физики состоит в том, что пространство и время существуют не сами по себе, а составляют неотъемлемую часть физического мира. Следовательно, если Большой взрыв ознаменовал рождение физического мира, то пространство и время возникли только в момент Большого взрыва. Идея отождествления момента рождения Вселенной с началом времени далеко не нова. Еще в IV в. Святой Августин писал: "Мир сотворен со временем, но не во времени". Внезапное возникновение Вселенной в результате Большого взрыва означает, что вопрос "Где мы находимся во времени"? имеет смысл. Исчисления всех космических эпох можно вести от этого уникального всеопределяющего события, которое произошло около 15 млрд. лет назад. Историю Вселенной можно разделить на зоны, ведя отсчет от этого абсолютного нуля времени. 4.4. Из чего мы состоим? На этот вопрос ответить просто: из материи. Но что такое материя и как она возникла? Диапазон форм, красок, плотностей и текстуры материальных тел столь широк, что попытка понять природу материи может показаться безнадежной задачей. Однако еще две с половиной тысячи лет назад греческие философы заложили основы нашего понимания природы материи, когда попытались свести разнообразие окружающего мира к взаимодействию небольшого числа первичных составных частей - элементов. В VI в. до н.э. Фалес считал первоосновой всех вещей один первичный элемент - воду, но позднее мыслители ввели в рассмотрение четыре земных элемента: землю, воздух, огонь и воду. По мысли древних, эти элементы в целом сохраняются, - их общее количество остается неизменным, - но могут образовывать друг с другом различные комбинации, необычайно разнообразные по форме и составу. Небесным телам отводилась пятая субстанция, называемая эфиром, или квинтэссенцией. Греческие философы сделали важный шаг, отвергнув ссылки на потусторонние силы и наблюдение - основу научного метода. Анаксагор (500 - 428гг. до н.э.) существенно усовершенствовал более ранние теории, введя представление о бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным множеством частиц, или (атомов). Кроме того, Анаксагор высказал предположение, что небесные тела состоят из таких же веществ, что и Земля, - эта "ересь" едва не стоила ему жизни. Левкиип внес свою лепту в развитие атомной теории материи, это дело продолжил его ученик Демокрит. Впоследствии атомистическая теория была отвергнута такими великими философами, как Аристотель, Платон и Сократ. Однако позднее идеи атомистов были подхвачены Эпикуром (341-270гг. до н.э.). Главная особенность учения атомизма заключалась в следующем: мир состоит всего лишь из двух вещей - неуничтожимых атомов и пустоты. Атомы имеют различную форму и могут соединяться между собой, образуя сложные системы. Атомы неделимы и свободно движутся в пустоте. Они непрестанно находятся в состоянии активности, сталкиваясь и объединяясь в новые конфигурации и неизменно подчиняясь рациональным законам причины и следствия. На протяжении столетий атомная теория материи имела чисто умозрительный характер, ибо атомы слишком малы, чтобы их наблюдать непосредственно. Альтернативные представления о континууме, согласно которым материя бесконечно делима и не содержит пустоты, существовали вплоть до XIX в. С развитием химии как науки атомистическая теория подверглась пересмотру в рамках современного научного мышления. Английский химик Джон Дальтон (1766-1844) привел свидетельства в пользу того, что атомы имеют различные веса и, комбинируясь в определенных пропорциях, образуют соединения; однако прямые физические доказательства существования атомов по-прежнему отсутствовали. Лишь в конце XIX в. с открытием электрона и радиоактивности существование атомов стало, наконец, общепризнанным. Вскоре выяснилось, что имеется множество различных типов атомов (каждый такой тип на современном языке соответствует химическому элементу). Ныне на Земле обнаружено около 90 естественных химических элементов и более десятка элементов синтезировано искусственным путем. В 1909 г. Эрнест Резерфорд выяснил основные особенности строения атома. Бомбардируя атомы альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным источником, Резерфорд установил по характеру рассеяния альфа-частиц, что атомы представляют собой не твердые кусочки неделимой материи, как полагали некоторые физики, а сложные структуры, основная масса которых сосредоточена в центральном ядре, окруженном облаком более легких подвижных электронов. Такая структура напоминает планетную систему. Электроны удерживаются на орбитах силой притяжения (положительно) заряженного ядра. Строение ядра оставалось неясным до начала 30-х годов. Ядро, как оказалось, также является сложной системой, состоящей из (положительно заряженных) протонов и электрически нейтральных частиц -нейтронов. Согласно современной точке зрения, протоны и нейтроны в свою очередь состоят из еще более мелких частиц - кварков, Многие физики полагают, что электроны и кварки являются подлинно элементарными частицами, - в том смысле, как это понимали древние греки. Они, по-видимому, не обладают внутренней структурой, и из них построены все известные формы обычной материи. Очевидно, что материя имеет иерархическую структуру. Из кварков состоят протоны и нейтроны, которые в свою очередь формируют ядра атомов. Атомы комбинируются в молекулы или кристаллы. Из этих основных ''материалов" состоят твердые тела, окружающие нас. Двигаясь вверх по шкале масштабов, мы придем к планетным системам, звездным скоплениям и, наконец, к галактикам, но даже галактики объединяются в скопления и сверхгалактики. Люди находятся где-то в середине этой иерархии: наши размеры соотносятся с размерами атомов примерно так же, как размеры звезд с нашими собственными. Известно, что одни химические элементы, например кислород и железо, имеются на Земле в изобилии, тогда как такие, как уран и золото, встречаются столь редко, что люди нередко развязывают войны, чтобы обеспечить доступ к их месторождениям. Если оценить распространенность химических элементов в целом по Вселенной, то возникнет поразительная картина. Около 90 % космического вещества приходится на долю водорода, самого легкого и простого элемента. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Подавляющую часть остальных 10 % составляет гелий - простейший после водорода элемент. Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона. Доля всех остальных элементов вместе взятых не превышает 1 %. Если исключить железо, то вырисовывается следующая общая тенденция: более тяжелые элементы - такие, как золото, свинец и уран - распространены во Вселенной значительно в меньшей степени, чем более легкие: углерод, азот, кислород. Подобная распространенность элементов весьма примечательна. Тяжелые ядра содержат большое количество протонов и нейтронов, легкие - мало. Если бы легкие ядра могли вступать друг с другом в реакцию ядерного синтеза, то это привело бы к образованию более тяжелых ядер. Напрашивается мысль, что во Вселенной первоначально присутствовал только один простейшие элемент - водород, а более тяжелые элементы постепенно образовались на последующих стадиях ядерного синтеза. Подобная теория сразу объясняет, почему тяжелые ядра столь редки. Реакции ядерного синтеза могут протекать только при температурах, при которых преодолимо отталкивание электрически заряженных ядер. Чем больше протонов в ядре, тем сильнее отталкивание между ядрами и тем с большим трудом ядро принимает дополнительные протоны в реакции ядерного синтеза. Понимание процесса образования химических элементов лишь отчасти объясняет" тайну" образования материи. Остается не ясным, как же образовались протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят атомы химических элементов. Ученым давно известно, что вещество не вечно - оно возникает и исчезает. При концентрации достаточного количества энергии происходит рождение новых частиц вещества. Мы можем рассматривать вещество как "запертую" энергию. Возможность превращения энергии в вещество наводит на мысль, что во Вселенной первоначально не было вещества и все вещество, которое мы наблюдаем сейчас, возникло из энергии Большого взрыва. Эта привлекательная теория сталкивается, однако, с серьезным затруднением. Рождение частиц вещества в лаборатории (на ускорителях) стало обыденным явлением, но образование каждой новой частицы сопровождается образованием ее "антипода". |
Похожие:
 | Учебно-методическое пособие по Новой истории стран Азии и Африки Брянск, 2008 Учебно-методическое пособие предназначено для студентов дневного отделения Исторического факультета, обучающихся по специальности... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Физика: Методическое пособие для студентов всех технических специальностей заочного отделения. – Вологда: Вогту, 2008, с |
| Конспект лекций по курсу «эконометрика» для студентов III курса дневного... Печатается по решению кафедры прогнозирования и статистики: протокол №6 от 07. 03. 2003 г | | Рекомендации по подготовке самостоятельной письменной работы по культурологии Волгоград Методическое пособие предназначено для студентов дневного и заочного обучения всех специальностей педагогического университета |
| Методическое пособие для студентов четвертого курса дневного и заочного... Методическое пособие для студентов четвертого курса дневного и заочного отделения специальности | | Методическое пособие для студентов четвертого курса дневного и заочного... Вопросы к зачету, задачи и практические задания, список источников и литературы для студентов четвертого курса дневного и заочного... |
 | Методическое пособие по дисциплине «Логика» Учебное методическое пособие по дисциплине «Логика» составлено для студентов юридической и экономической специальностей дневного... | | Учебно-методическое пособие для студентов педагогических вузов Борисоглебск... Данное учебно-методическое пособие предназначено для студентов дневного и заочного отделения педагогических вузов по специальностям... |
| Учебно-методическое пособие для студентов всех специальностей технического вуза Краткий курс лекций по философии: Учебно-методическое пособие / А. С. Балакшин, А. А. Владимиров. – Н. Новгород: Изд-во фгоу впо... | | Методическое пособие для разработки и оформления рефератов с использованием... Методическое пособие предназначено как для обучающихся с получением основного общего (полного) образования, так и для студентов всех... |
| Учебно-методическое пособие по дисциплине «социология управления»... Вопросы к зачету | | Учебно-методическое пособие к изучению немецкого языка для студентов... Учебно-методическое пособие предназначено для работы со студентами заочного отделения факультета сервиса, специальностей «Сервис»,... |
| Учебно-методическое пособие для студентов дневного отделения биолого-почвенного... Охватывает организмы, популяции, сообщества, в результате взаимодействия которых с окружающей средой (энергией и веществом) образуются... | | Учебное пособие для студентов экономических специальностей рассмотрено... Концепции современного естествознания: Учеб пособие для студентов экономических специальностей /А. Н. Верхозин, В. В. Однобоков /... |
| Методическое пособие по дисциплине Экономика отрасли Для всех специальностей Методическое пособие предназначены для студентов выпускников и преподавателей колледжей, реализующих Государственный образовательный... | | Методическое пособие по выполнению студентами рефератов учебное пособие... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
