 |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
Опыт Майкельсона – Морли
|
|
Где А – пучок света, D – телескоп, B – полупрозрачное зеркало, C - отражающие зеркала. После отражения от зеркал C пучки света сходятся на зеркале B, откуда направляются к телескопу D. При равенстве расстояний от отражающих зеркал С до полупрозрачного зеркала В в телескопе будет наблюдаться система интерференционных полос (комбинация ярких и темных полос). Если бы существовал мировой эфир, то время прохождения луча света по горизонтальному и вертикальному направлениям было бы различным, а оно оказалось одним и тем же.
Выводы из опыта Майкельсона-Морли:
1. Мирового эфира не существует;
2. Скорость света (с) есть предельно большая величина, к которой не применим принцип сложение скоростей, используемый в классической механике.
Перед физиками встала проблема создания новой фундаментальной теории. Эту проблему удается решить в 1905 году А. Эйнштейну (1879 – 1955), созданием Теории относительности, которая состоит из двух частей: Специальной теории относительности (1905 г.) и Общей теории относительности (1916 г.)
Специальная теория относительности начинается с двух положений:
1.Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.
2.Законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.
Специальная теория относительности описывает законы всех физическихпроцессов при любых скоростях движения, но без учета силы тяготения. Другое дело, что экспериментально обнаружить релятивистские эффекты можно лишь при очень больших скоростях, скоростях близких к скорости света. При небольших скоростях движения специальная теория относительности Эйнштейна сводится к классической механике Ньютона, которая оказывается ее частным случаем.
Релятивистские эффекты или эффекты теории относительности.
Согласно теории Эйнштейна, для наблюдателя из другой системы отсчета размеры тел в наблюдаемой системе сокращаются в направлении движения системы, согласно формуле:
Относительной величиной оказывается и масса тела (m), введенная Ньютоном как величина абсолютная. Для наблюдателя из другой системы отсчета масса тела в движущейся системе возрастает согласно формуле:
С приближением скорости тела (V) к скорости света (с ) масса тела стремится к бесконечности.
В движущейся системе, относительно наблюдателя из неподвижной системы отсчета, время замедляет свой ход, течет медленнее, согласно формуле:
Эйнштейном приводится эффект близнецов. Так, один из братьев-близнецов отправляется на ракете в космическое путешествие со скоростью V = 0,99 c на один земной год. Но в то время как на космическом корабле пройдет 1 год, на Земле пройдет 50 лет и возвратившийся из путешествия космонавт вряд ли узнает своего брата-близнеца состарившегося на 50 лет.
Но даже если мы будем путешествовать на обычном поезде, то наши ручные часы будут идти медленнее, чем часы на станции, мимо которой мы проезжаем, правда разница во времени будет столь мала, что мы ее не зафиксируем.
Таким образом, относительными стали такие понятия как “длина”, “промежуток времени”, “одновременность”, “масса”.
Но существуют ли величины, не зависящие от системы отсчета, так называемые инварианты? В качестве величины, не зависящей от системы отсчета, стали рассматриваться:
- скорость света в вакууме (с);
- пространственно-временной интервал (S);
- само событие.
Пространственно-временной интервал ∆S2=∆x2+∆y2+∆z2-∆(c2t2) был выведен не Эйнштейном, а Х.Лоренцом для обозначения метрики пространственно-временного континуума. Этот интервал выражает разницу между двумя событиями в пространстве-времени. x,y,z – пространственные координаты, а t – временная координата; с – скорость света = const. Специальная теория относительности устанавливает инвариантность (неизменность) значения самого этого интервала, т.к. релятивистское сокращение длины и релятивистское замедление времени компенсируют друг друга и поэтому значение самого интервала остается тем же.
Сам Лоренц объяснял феномен сокращения длины движущегося объекта динамическими причинами. Лоренц полагал, что под воздействием частиц неподвижного эфира, т.е. под их давлением происходит сокращение длины, движущегося сквозь них тела, подобно тому, как под механическим давлением происходит сжатие обыкновенной пружины.
Преобразования Лоренца были открыты для описания электромагнитного поля, для перехода от одной инерциальной системы к другой. Согласно Эйнштейну, они отражаются не реальные изменения размеров тел при их движении, а изменения результатов измерения в зависимости системы отсчета (наблюдателя). Приведенные выше уравнения СТО являются также преобразованиями Лоренца.
Специальная теория относительности в лице пространственно-временного интервала показала неразрывную связь пространства и времени, после чего физики стали говорить о едином пространственно-временномконтинууме.
Наконец, Эйнштейн провозгласил в качестве универсального законавывод о связи массы и энергии тела. Е = m.c2. Закон этот не означает превращения массы в энергию или энергии в массу, а утверждает постоянство соотношения в теле инертной массы и полной энергии. Так, при любом уменьшении массы уменьшается и энергия тела и наоборот. Чтобы изменить скорость движущегося тела, ему нужно сообщить энергию. В соответствии с вышеприведенной формулой кусок раскаленного железа будет весить больше, чем кусок железа холодного той же массы. Возникает вопрос, а правомерно ли измерять энергию не в Джоулях, а в граммах? Правомерно, особенно если иметь дело с огромным количеством Джоулей, то есть с огромной энергией. Так, чтобы превратить в пар 30.000 тонн воды потребуется 1 грамм энергии (теплоты) или 67,5.1012Дж.
В 1916 году Эйнштейн завершил создание теории относительности, дополнив Специальную теорию относительности Общей теориейотносительности. Общая теория относительности стала дальнейшем развитием и обобщением ньютоновской теории тяготения. Общая теория относительности Эйнштейна вскрыла глубокую связь между пространством, временем, материей и процессом тяготения. Геометрические свойства пространства-времени стали определятся количеством, распределением и движением материи. Поскольку пространство немыслимо без материи, оно оказывается не плоским, а искривленным и с приближением к областям с повышенной плотностью кривизна материи возрастает.
Такое пространство нельзя описать геометрией Евклида. В описании такого пространства нашла свое применение и обрела физический смысл неевклидова геометрия, возникшая еще в первой половине 19 века (Карл Гаусс (1777-1855), Бернхард Риман(1826-1866), Янош Бойаи(1802-1860), Николай Иванович Лобачевский(1793-1856)). Подобно евклидовой, неевклидово пространство также бесконечно. Его геометрические свойства удовлетворяют всем аксиомам Евклида, за исключением аксиомы параллельности: если на евклидовой плоскости через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной, то в неевклидовой геометрии параллельных прямых можно провести бесконечное множество. Создание неевклидовой геометрии показало, что аксиомы Евклида не обязательно должны выполняться. Они всего лишь самосогласованны, как, впрочем, и аксиомы неевклидовой геометрии. Утверждение “геометрия физического пространства есть Х” в современной интерпретации означает: “Космологическая теория, использующая геометрию Х, более точно соответствует наблюдательным данным, чем теории, основанные на альтернативных геометриях”. Так, в плоском пространстве Евклида кротчайшим расстоянием является прямая, сумма углов треугольника равна 180 градусам, кривизна пространства равна 0 и используется Декартова система координат. В сферическом пространстве Б. Римана кривизна пространства больше 0, кротчайшим расстоянием является дуга (геодезическая кривая), сумма углов треугольника больше 180 градусов и используется гауссова система координат. В псевдосферическом пространстве Н. Лобачевского кротчайшим расстоянием является вогнутая дуга, кривизна пространства меньше 0, сумма углов треугольника меньше 180 градусов, используется гауссова система координат.
В Общей теории относительности нашла свое применение геометрия Б. Римана.
Общая теория относительности явилась шагом вперед в развитии теории всемирного тяготения. Тяготение стало рассматриваться как результат движения в искривленном вблизи другого тела пространстве-времени. Это искривление пространства-времени изменяет траектории движения всех тел, включая даже частицы света - фотоны, которые, как нам представляется, всегда движутся по прямой (луч света).
Гравитационное поле стало, по сути, отождествляться с искривленным пространством-временем. Это позволило Эйнштейну отказаться от инерциальных систем отсчета и признать их не существующими в природе. Система не может двигаться равномерно, прямолинейно и сколь угодно долго, т.к. она всегда находится в поле тяготения Земли и Солнца, а это означает, что в каждой точке этого поля она будет испытывать ускорение. Эйнштейн приводит пример искусственно созданной инерциальной системы – это свободно падающий с большой высоты лифт, где на недолгое время имеет место компенсация силы тяготения. При этом в кабине лифта можно наблюдать состояние невесомости, при котором предметы повиснут в воздухе, а если их подтолкнуть, то они будут двигаться равномерно и прямолинейно пока не столкнуться со стенками кабины лифта. Подобную картину можно наблюдать в космосе на космической станции.
В поле гравитации имеют место релятивистские эффекты (сокращение длины тел, замедление течения времени и увеличение массы тел), рассмотренные в Специальной теории относительности. Так, в конусе действия «черной дыры» сила гравитации эквивалентна движению, скорость которого превышает скорость света в вакууме. Масса тела, приблизившегося к «черной дыре» относительно наблюдателя из другой системы отсчета возрастает до бесконечности, размер превратится в точку, а время остановится.
В основу Общей теории относительности Эйнштейн положил известный еще со времен Галилея факт равенства инертной и гравитационной масс mi=mg . Галилей не придавал большого значения этому факту. Эйнштейн же увидел в нем глубинный закон природы, на основании которого он сформулировал принцип эквивалентности. Этот принцип устанавливает физическую идентичность поля тяготения и поля, создаваемого ускоренным движением.
И, наконец, Эйнштейн формулирует общий принцип относительности, согласно которому физические законы являются ковариантными не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах, то есть во всех системах отсчета.
Общая теория относительности нашла и экспериментальные подтверждения своей истинности. Так, 29 мая 1919 года Эддингтоном и Дайсоном было подтверждено предсказание Общей теории относительности об отклонении луча света от прямолинейной траектории вблизи Солнца. Так же было подтверждено отклонение эллиптической орбиты Меркурия под воздействием искривленного пространства вблизи Солнца на 1 градус за период полного обращения Меркурия вокруг Солнца.
ЛЕКЦИЯ № 8. Современные представления о Вселенной.
Принципиально новые революционные космологические следствия Общей теории относительности раскрыл русский математик и физик-теоретик А.А.Фридман (1888-1925).
Решение “мировых уравнений” Эйнштейна из Общей теории относительности позволило ему построить математические модели Вселенной.
Однако первую модель Вселенной предложил сам А.Эйнштейн, который пришел к ошибочному выводу, что Вселенная должна быть стационарной (неразвивающейся) и иметь форму четырехмерного цилиндра. Фридман же доказал, что искривленное пространство Вселенной не может быть стационарным.
В 1922-1924 годах А.Фридман выступил с критикой идей Эйнштейна и показал необоснованность исходного постулата Эйнштейна о стационарности, неизменности Вселенной во времени. Исходя из противоположного постулата о возможности изменения радиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман нашел новые решения мировых уравнений Эйнштейна. На основе этих решений он построил три математических модели Вселенной. В двух из них радиус кривизныпространства растет,и Вселенная расширяется (в одной модели расширяется из точки, в другой – из некоторого объема). Третья модель рисует картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимсярадиусом кривизны.
Фридман в 1922 году сообщил о своих результатах Эйнштейну, но Эйнштейн не обратил на них серьезного внимания. В 1923 году после беседы с физиком Крутковым в Германии Эйнштейн обратил внимание на Фридмана и проверил его результаты. После этого Эйнштейн отправил статью в «Физический журнал», где признал результаты Фридмана правильными. Позже, в 1927 году, астрофизик Дж.Леметр повторил результаты Фридмана.
Две первые модели Фридмана уже вскоре нашли точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далеких галактик – в так называемом эффекте “красного смещения” в спектрах галактик. “Красное смещение” свидетельствовало о взаимном удалении всех достаточно далеких друг от друга галактик и их скоплений. Спектром называется набор излучаемых длин волн, характерный для данного вещества (в данном случае водорода, так как он наиболее распространен во Вселенной). Большая длина волны соответствует меньшей частоте и меньшей энергии, переносимой волной. Волны, доходящие до нас от далеких галактик, имеют большую длину и малую частоту. Со временем длина волны, исходящей от дальней галактики, увеличивается, соответственно, при спектральном анализе мы наблюдаем смещение в красную часть спектра.
Виды «красного смещения».
1. Космологическое «красное смещение». О нем говорилось выше, именно оно является общепринятым в современной космологии.
2. Гравитационное «красное смещение». Свет движется не в пустом пространстве, а в гравитационном поле (искривленном пространстве-времени), а потому его траектория не есть прямая. За счет удлинения траектории частицы света (фотоны) тоже теряют энергию; увеличивается длина световой волны и уменьшается ее частота, поэтому мы так же наблюдаем эффект «красного смещения».
3. «Красное смещение» как следствие старения фотонов. В этом случае для разных длин волн величина «красного смещения» была бы различной (фотоны не могут все постареть одновременно), а этого не наблюдается.
4. «Красное смещение» вызванное потерей светом энергии вследствие взаимодействия с космическим веществом или излучением. Но в этом случае свет изменит не только свою энергию, но и направление своего движения, что должно привести к размыванию изображений галактик, но этого не происходит.
Таким образом, мы подтверждаем факт расширения наблюдаемой нами части Вселенной. Большинство космологов понимает расширение как расширение всей мыслимой существующей Вселенной.
С именем американского астронома Эдвина Хаббла (1889-1953) связано открытие универсальной космологической закономерности – эффекта расширения Вселенной. Своим открытием он получил ответ на главный вопрос космологии – о конечности или бесконечности Вселенной. Хаббл измерил скорости 18-ти галактик в ближайшем к нам созвездии Девы. Он уловил общую закономерность движения галактик: “красные смещения” в спектрах галактикросли пропорционально расстояниям отнаблюдателя (или от центра нашей галактики). Эта установленная Хабблом в 1929 году закономерность вола в астрономию как закон Хаббла.
(v = H x R), где v – скорость разбегания галактик, Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла, R – расстояние до наблюдаемой галактики. Для коэффициента пропорциональности Хаббл нашел значение Н = 560 км/сек х Мпк. (Мпк – миллион парсеков или расстояние, которое проходит свет за 3,3 млн. земных лет). Это означало, что с увеличением расстояния на 1 Мпк скорость разбегания галактик увеличивается на 560 км/сек. Эта величина, получившая наименование “постоянной Хаббла”, является одной из фундаментальных в космологии. Однако Хаббл сильно завысил ее значение. Это значение неоднократно уточняли и в настоящее время оно принимается равным 71 км/сек х Мпк. Для близких областей Вселенной закон Хаббла носит статистический характер, то есть проявляется не для каждой пары галактик, а для большого их числа. Для достаточно далеких друг от друга объектов закон этот проявляется и для индивидуальных объектов.
Величина, обратная постоянной Хаббла 
, означавшая время, в течение которого разбегались галактики, прямо указывала на то, что должнобыло существовать начало такого разбегания, а может быть и начало существования самой Вселенной.
t = 
= 
= 
при подстановки V = H x R
Такая интерпретация закона Хаббла с очевидностью подтверждала теорию нестационарной Вселенной, построенной Фридманом. В астрономической картине мира утвердился образ нестационарной развивающейся Вселенной.
Если средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической плотности (5 х 10-30 г/см3), то Вселенная будет «открытой», бесконечно расширяющейся. Если средняя плотность вещества во Вселенной будет больше или равна критической плотности, то Вселенная будет «закрытой» и начнет сжиматься, коллапсировать.
Одна из наиболее острых проблем современной космологии – это проблема “скрытой массы” («черные дыры», потухшие звезды, ионизированный газ и др.) от которой зависит оценка средней плотности вещества во Вселенной. Одним из проявлений скрытой массы являются “черные дыры”. “Черная дыра” – это потухшая звезда, с массой более 3-х масс Солнца, которая, исчерпав свое ядерное топливо, потухает и за считанные доли секунды начинает неудержимо сжиматься, происходит гравитационный коллапс. Вокруг «черной дыры» образуется своеобразная воронка, то есть сильное искривление пространства-времени. Поэтому “черная дыра” ничего не выпускает наружу, не отражает, а, следовательно, ее невозможно обнаружить. Сила тяготения на поверхности столь велика, что для ее преодоления необходимо развить скорость, превышающую скорость света. На поверхности «черной дыры» имеют место релятивистские эффекты (сокращение длины тела в точку, увеличение массы тела до бесконечности, остановка времени, как и при движении со скоростью света). Ученые предполагают, что “черные дыры” образуют ядра галактик. В нашей галактике ученым сегодня известно и описано 26 «черных дыр». Предполагается, что их в нашей галактике около 50.
Современная астрономия не знает, что представляет собой вселенная в целом. Мы можем говорить лишь о той части вселенной, которая доступна нашему наблюдению – о нашей Метагалактике. Ее размеры составляют 10 млрд. световых лет. Наша Метагалактика – это одна лишь крупная часть вселенной в целом. Подобные части вселенной астрономы называют крупномасштабными нестационарностями, которые являются огромными комплексами материи.
В 30-е годы 20 века рядом ученых (Ж.Леметром, Э.Милном, А.Фридманом) была выдвинута интерпретация разбегания галактик как результата взрыва сверхплотного сгустка некой особой “первичной” материи.
Научная космологическая теория - теория БольшогоВзрыва (Big Bang) была создана американским физиком русского происхождения – Г.А. Гамовым (1904-1968)совместно с физиками Р.Альфером и Г.Бете. Эта теория также имеет шуточное название – теория α, β, γ.
Согласно теории Большого Взрыва вся современная наблюдаемая нами Вселенная представляет собой результат катастрофического взрыва материи находившейся до того в чудовищно сжатом сверхплотном состоянии, состоянии сингулярности, недоступном пока для понимания и описания в рамках современной физики. Начавшееся при этом взрыве расширение материи привело первоначально к неразделимой смеси – излучения и вещества.
Первоначально вселенная состояла из водорода (70%) и гелия (30%); все остальные химические элементы возникли позже, когда образовались звезды. Первое поколение звезд состояло только из гелия и водорода.
Огромное количество водорода в наблюдаемой части Вселенной заставляет предположить, что в начальной фазе ее расширения она была заполнена главным образом высокотемпературным излучением, хотя и содержала некоторое количество частиц и античастиц. После взаимной аннигиляции (взаимоуничтожения) частиц и античастиц остались частицы, так как их было чуть больше. Среди частиц можно было выделить тяжелые ( нейтроны, протоны, гравитоны) и легкие (электроны, нейтрино). Исходное соотношение между излучением (числом фотонов) и частицами (числом частиц) сохраняется и в современной Вселенной.
Дж. Гамов и его ученики в 1948 году предсказали, что в современной Вселенной остывшее первичное излучение должно наблюдаться как тепловое, соответствующее температуре 5 О0К(0 0К = - 273,150С). Специалистам радиофизикам представлялось невозможным выделить столь слабый сигнал из общего излучения звезд, галактик, межзвездной среды. Однако уже в 1956 году в Пулковской обсерватории зарегистрировали подобное излучение с помощью рупорной антенны, хотя и с небольшой точностью (его температуру определили в пределах 3,9 – 4,20К). Окончательное же подтверждение предсказанию Дж. Гамова было дано американскими радиоинженерами А.Пензиасом и Р.Уилсоном в 1964 году при испытании рупорной антенны для наблюдения американского спутника. Обнаруженное первичное остаточное радиоизлучение, интенсивность которого была одинаковой во всех направлениях, имело температуру 50К. Его назвали реликтовым. По современным данным температура реликтового излучения составляет 2,7350К.
Это открытие подтвердило теорию Большого Взрыва (горячей Вселенной) и показало, что у нашей Вселенной имеется ранняя история и что она, действительно, эволюционировала.
Расширение Вселенной, судя по современной его скорости, началось 13,7 млрд. лет назад. Раннюю Вселенную можно охарактеризовать как последовательность эпох.
Самая ранняя эпоха продолжалась 10-43 сек. К концу этой эпохи температура составляла 1032К,а плотность вещества достигала 1097кг/м3. В эту же эпоху существовали элементарные строительные блоки (кварки).
По мере падения температуры из кварков образовались адроны (тяжелые частицы).
Через 10-3 сек после начала расширения вещество Вселенной состояло из частиц (протонов, нейтронов, электронов, мюонов, пионов, нейтрино и гравитонов) и их античастиц. Приблизительно через 1сек в результате аннигиляции остались только нейтроны, протоны, электроны, нейтрино, гравитоны.
При дальнейшем снижении температуры, когда энергия упала ниже энергии связи сложных ядер, протоны объединились с нейтронами, образуя атомные ядра. В этом первичном синтезе образовалось 30% атомарного гелия, остальное же вещество почти полностью состояло из свободных протонов. Температура продолжала снижаться и была уже слишком низкой для синтеза ядер. За это время успело образоваться лишь очень немного ядер тяжелее, чем ядра гелия.
Охлаждение продолжалось и далее, но темп его замедлился, так что потребовалось 1015 сек, чтобы температура достигла 104 0К. На этой стадии свободные протоны и электроны образовали атомарный водород. Вещество стало прозрачным для излучения и с этого времени вещество и излучение разъединились. С этого момента появилось реликтовое излучение, через 3.105 лет после Большого Взрыва.
В это же время стали образовываться электрически нейтральные атомы (гелия и водорода), то есть ядра стали соединяться с электронами, образуя нормальный атом.
Образовавшийся и охлаждающийся газ образовывал облака, из которых возникали протогалактики. Области повышенной плотности притягивали дополнительное вещество, и их сила тяготения увеличивалась. Медленное сжатие протогалактик происходило под действием самогравитации. Одна за другой сменялись последовательные эпохи, пока в газовых облаках начался процесс звездообразования. Так как протозвезды сжимались, происходило постепенное их разогревание до тех пор, пока температура центральных областей не поднялась до нескольких млн. градусов, чтобы началась термоядерная реакция. С момента выделения ядерной энергии сжатие протозвезды прекращается, так как температура и давление в центре ее возрастают и уравновешивают силу гравитации. Протозвезда обретает равновесие и становится звездой.
Все химические элементы, за исключением гелия и водорода возникли на поверхности звезд (легче железа) и в недрах звезд (тяжелее железа). Последние появились во вселенной в результате взрыва сверх новых (внешних оболочек звезд).
Сейчас существует 2-е поколение звезд, к которому относится и наше Солнце.
По данным ряда астрофизиков вселенной осталось существовать 22 млрд. лет. После чего она будет «разорвана» набирающей уже сегодня силу «темной энергией» равносильной антигравитации. На сегодня установлено, что вселенная расширяется быстрее, чем предполагали. Это связано с нарастанием силы «темной энергии» или антигравитации, существование которой предположил еще Эйнштейн, обозначив ее в своем уравнении значком λ (лямда). Силе «темной энергии» могла бы противостоять сила гравитации, но она зависит от массы вещества во Вселенной. Масса известного нам вещества (протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и т.д.) составляет всего 5% от критической массы, необходимой для остановки расширения космоса с помощью гравитации. Еще 30% необходимого вещества («темного вещества») составляют таинственные частицы, которые предсказаны лишь теоретически и в действительности не наблюдались. «Темная энергия» составляет 70%. Таким образом, наша вселенная обречена на великий разрыв или Великий Хруст - Big Crunch.
Физический вакуум.
Физический вакуум – это новый тип реально существующей материи, по своим свойствам отличающийся как от вещества, так и от поля. В вакууме непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения частиц.
Понятие «физический вакуум» было введено в 1928 году П.Дираком. Согласно Дираку, это система частиц, в которой отсутствуют частицы с положительной энергией. «Море Дирака» - это электроны с отрицательной энергией. Дирак предсказал существование первой античастицы – позитрона – как дырки в физическом вакууме. Вакуум – это система, в которой отсутствуют реальные частицы данного вида (например, электроны).
Появление реальных частиц рассматривается как возбуждение вакуума, поэтому вакуум можно рассматривать как среду, порождающую материю.
Вакуум – это состояние с наименьшей энергией при отсутствии вещества. В вакууме происходят квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы. Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать частицы. Энергия вакуума может переходить в поле, а поле – в частицы. Так, на короткое время любая система может перейти в состояние, отличающееся от предыдущего состояния по энергии. Такие переходы называются витруальными. Так как по теории относительности Эйнштейна энергия может переходить в массу (Е = m.c2), то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время.
Физический вакуум существует повсюду. В нем происходит взаимодействие элементарных частиц. Вакуум воздействует на все тела своей антигравитацией, но обратному гравитационному воздействию от этих тел не поддается.
Согласно «инфляционной модели» вселенной нидерландского астронома В. Де Ситтера в ранние моменты эволюции вселенной вся энергия мира была заключена в вакууме. Стадия инфляционного (сверх быстрого) расширения вселенной длилась 10-35 сек. За это время вселенная быстро расширялась, а заполняющий ее вакуум растягивался. Образовавшееся состояние вселенной было крайне неустойчивым, когда возникновение малейших неоднородностей было достаточно, чтобы вызвать переход системы в другое состояние. При переходе вакуума в другое состояние выделяется огромная энергия. За счет этой энергии происходит рождение из вакуума реальных частиц, которые начинают двигаться с огромными скоростями. Температура вселенной возрастает до 1027 0К. Вселенная становится горячей.
Физический вакуум является ненаблюдаемой физической реальностью. У нас нет фундаментальной физической теории адекватно описывающей его состояния и динамику. Также имеет место недостаточность экспериментальных данных. Единственным доказательством существования вакуума являются точные предсказания взаимодействия с ним реальных частиц. Так, например, аномальный магнитный момент электрона появляется в результате его взаимодействия с вакуумом.
Антропный космологический принцип.
Наблюдая Вселенную и изучая историю ее эволюции, многие ученые пришли к выводу, что в ней действует некий принцип, организующий Вселенную определенным наилучшим образом. Так, энергия расширения Вселенной очень хорошо согласовывалась с ее гравитационной энергией, обеспечивая Вселенной максимально длительный срок существования. Некоторые физики предположили, что строение физического мира неотделимо от существования его обитателей, наблюдающих мир. Физики утверждают, что существует принцип, осуществляющий невероятно тонкую подстройку всех явлений и процессов во Вселенной, но это не физический принцип, а антропный, связанный с человеком как частью Вселенной.
Антропный принцип был впервые выдвинут английским астрофизиком Брэндоном Картером в 1973 году в качестве противовеса неоправданно широкому использованию принципа Н.Коперника, согласно которому мы не занимаем привилегированного места во Вселенной. Последнее положение является ошибочным с позиций современной науки, так как само наше существование как сложных физико-химических существ требует определенных условий, которые встречаются только в определенных местах Вселенной и на определенных стадиях ее истории. Само наше существование как разумных существ сильно зависит от структуры физического мира. Так, если бы любое из точно отрегулированных условий было нарушено, то жизнь была бы невозможна (по крайней мере, известная нам ее форма).
Многие из основных свойств Вселенной определяются, в сущности, значениями фундаментальных физических констант, таких как гравитационная постоянная, заряд электрона, масса протона, постояннаяПланка, скорость света в вакууме и др. Свойства Вселенной были бы совершенно иными, если бы перечисленные константы имели значения, хотя бы слегка отличающиеся от наблюдаемых. Все это побуждает задать вопрос: почему из бесконечной области всевозможных значений фундаментальных констант, из бесконечного разнообразия первоначальных условий, которые могли бы существовать в ранней Вселенной, реализуется вполне конкретный набор и конкретные величины констант? Ответы на этот и подобные вопросы пытается дать Антропный принцип, который подразделяется на 4 вида (модификации).
Существует 4 модификации Антропного принципа.
Слабый Антропный принцип: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями нашего существования как наблюдателей» /Б.Картер/. Так, любые космологические наблюдения, сделанные астрономами, основаны на всеобъемлющем селекционном эффекте: нашем собственном существовании. Мы, к примеру, не можем наблюдать явления, которые противоречили бы нашему существованию (сверхвысокие температуры, плотности вещества, радиацию и т.п.)
Сильный Антропный принцип: «Вселенная должна иметь такие свойства, которые позволяют жизни развиться внутри нее на некоторой стадии ее истории. Или, Вселенная такова, потому, что мы существуем» /Б.Картер/. Этот принцип указывает на специфику самой Вселенной, которую мы населяем. Оказывается, для устойчивого существования атомов, звезд, галактик необходима очень тонкая “подгонка” ряда численных величин фундаментальных физических констант. Небольшое отклонение от этих величин, хотя бы одной из них, приводит к резкой потере устойчивости или к выпадению определенного звена эволюции. Получается, что наша Вселенная “запрограммирована” кем-то определенным, наилучшим образом. Это может быть Творец или еще какая-либо высшая разумная сила. Здесь мы получаем выход в теологию. Чтобы избежать обвинения в теологизме, ученые (Гут, Стейнхард, Линде и др.) предложили гипотезу множественности вселенных. Согласно ей, наша Вселенная лишь одна из множества существующих Вселенных, и нам повезло, что в результате игры случая в ней сложились оптимальные условия для нашего существования.
Антропный принцип участия: «Необходимы наблюдатели, чтобы существовала Вселенная» /Дж.Уиллер/. Этот принцип имеет физическое содержание, когда рассматривается в свете попыток интерпретации квантовой механики (копенгагенской школы).
Финальный Антропный принцип: «Разумный информационный процесс должен возникнуть во Вселенной и, однажды возникнув, он никогда не умрет» /Ф.Типлер/. Если образование сознания с необходимостью подразумевается всеобщим порядком, то тогда будет трудно примириться с перспективой его будущего разрушения, которое кажется неизбежным в ряде космологий. Более разумно было бы предположить, что природа не безразлична к будущей судьбе сознания и обеспечит условия его вечного существования, совсем не обязательно в человеческих формах. Хотя Финальный антропный принцип есть утверждение физики, он, тем не менее, связан с моральными ценностями и подразумевает усовершенствованный космос.
Дата публикования: 2014-11-03; Прочитано: 1138 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!
