Шпаргалка по "Концепциям современного естествознания"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26. Современная  физическая картина мира: теория  относительности А. Эйнштейна: О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО;) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей. ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр. Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этих проблем был предложен ряд альтернативных теорий, некоторые из которых также являются квантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

 

 

 

 

 

27. квантовая  механика, её роль в естествознании:  

Квантовая механика волновая механика, теория устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов) а  также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах. Законы квантовой механики  составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе квантовой механики  удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах. Существуют также явления (например, Джозефсона эффект), в которых законы квантовой механики  непосредственно проявляются в поведении макроскопических объектов. Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основан по существу на специфических законах квантовой механики Так, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, и т.д. Фундамент такой бурно развивающейся области физики, как квантовая электроника, составляет квантовомеханическая теория излучения. Законы квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (особенно магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих). Таким образом, квантовая механика становится в значительной мере "инженерной" наукой, знание которой необходимо не только физикам-исследователям, но и инженерам.

 

 

 

 

 

 

28. Фундаментальные  физические взаимодействия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ, 4 вида взаимодействия между элементарными частицами, объясняющие все физические явления на микро или макроуровне. К взаимодействию фундаментальному относятся (в порядке возрастания интенсивности) гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Гравитационное взаимодействие существует между всеми элементарными частицами и обусловливает гравитационное притяжение всех тел друг к другу на любых расстояниях; оно пренебрежимо мало в физических процессах в микромире, но играет основную роль, например, в космогонии. Слабое взаимодействие проявляется лишь на расстояниях около 10-18 м и обусловливает распадные процессы (например, бета-распад некоторых элементарных частиц и ядер). Электромагнитное взаимодействие существует на любых расстояниях между элементарными частицами, имеющими электрический заряд или магнитный момент; в частности, оно определяет связь электронов и ядер в атомах, а также ответственно за все виды электромагнитных излучений. Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях около 10-15 м и обусловливает существование ядер атомов. Возможно, все виды взаимодействий фундаментальных имеют общую природу и служат различными проявлениями единого взаимодействия фундаментального. Это полностью подтверждается для электромагнитного и слабого взаимодействий фундаментальных (так называемое электрослабое взаимодействие).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29. Классификация элементарных частиц: Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Понятие “элементарная частица” трансформировалась по мере развития знаний о строении материи. На рубеже 19 – 20 веков мельчайшей частицей вещества (т.е. элементарной частицей) считался атом (по-гречески atomos - ”неделимый”) . В дальнейшем выявилась сложная структура атома, состоящего из ядра и электронов. В свою очередь ядра, как оказалось, также являются сложными структурами и состоят из протонов и нейтронов. В современной физике термин “элементарные частицы” употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы. В эту группу входят протон (p), нейтрон (n), фотон (g), p - мезоны и другие частицы – всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Очевидно, что при наличии такого большого числа элементарных частиц возникает необходимость их классификации. Элементарные частицы принято классифицировать в основном по двум признакам: 1) по способности к различным видам взаимодействия и 2) по массе. По способности к тому или иному виду взаимодействия все элементарные частицы делятся на два класса: адроны и лептоны. Лептоны могут, как иметь электрический заряд, так и не иметь его, но спин у всех у них равен Ѕ. Среди представителей этой группы частиц наиболее известен электрон, первая из открытых элементарных частиц. Квантовые числа элементарных частиц разделяются на точные, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах, и неточные, для которых соответствующие физические величины в некоторых процессах не сохраняются. Точными квантовыми числами являются: электрический заряд q, лептонный заряд L и барионный заряд B, спин. Странность S, очарование c и красота b – неточные квантовые числа, они сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабом взаимодействии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30. Современная  астрономическая картина мира: происхождение  Вселенной:  На нынешней стадии развития  физической  космологии  на  передний  план

выдвинулась  задача  создания  тепловой  истории  Вселенной,  в  особенности сценария образования крупномасштабной структуры  Вселенной. Последние  теоретические  изыскания  физиков   велись   в   направлении следующей фундаментальной идеи: в основе  всех  известных  типов  физических взаимодействий лежит одно универсальное  взаимодействие;  электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия являются различными  гранями единого взаимодействия, расщепляющегося по  мере  понижения  уровня  энергии соответствующих  физических  процессов.  Иначе  говоря,  при  очень  высоких температурах (превышающих определенные критические значения) различные  типы физических взаимодействий начинают объединяться, а  на  пределе  все  четыре типа взаимодействия сводятся  к  одному  единственному  протовзаимодействию, называемому "Великим синтезом".     Дальнейшее  изучение  космологических  следствий  фазовых  переходов  с нарушенной симметрией привело к новым теоретическим открытиям и обобщениям. Среди них - обнаружение ранее неизвестной эпохи  в  саморазвитии  Вселенной. Оказалось, что в ходе космологического фазового перехода она  могла  достичь состояния  чрезвычайно  быстрого  расширения,   при   котором   ее   размеры увеличились во  много раз,  а плотность вещества  оставалась  практически неизменной. Исходным же состоянием, давшим начало  раздувающейся Вселенной, считается гравитационный вакуум. Резкие  изменения,  сопутствующие процессу космологического  расширения  пространства  характеризуются  фантастическими цифрами. Так предполагается,  что  вся  наблюдаемая  Вселенная  возникла  из единственного вакуумного пузыря размером меньше 10 в минус 33  степени   см. Вакуумный пузырь, из которого образовалась наша Вселенная,  обладал  массой, равной всего-навсего одной стотысячной доле грамма.  В настоящее время еще нет всесторонне проверенной  и  признанной  всеми теории  происхождения  крупномасштабной  структуры  Вселенной,  хотя  ученые значительно продвинулись в понимании естественных путей  ее формирования  и эволюции. К   настоящему   времени   физиками   предложено несколько вариантов данной теории. Предполагается, что  эволюция  Вселенной, начавшаяся с грандиозного общекосмического катаклизма,  именуемого  "Большим Взрывом",  в последующем   сопровождалась   неоднократной   сменой   режима расширения.

 

 

 

 

 

31.Концепция  Большого Взрыва

Возможность расширения Вселенной была предсказана теоретически как одно из следствий применения к решению космологических проблем  общей теории относительности. Первые труды в этой области принадлежат талантливому советскому математику А.А Фридману (1888— 1925). Он широко известен как геофизик-метеоролог, специалист по прикладным вопросам динамики атмосферы. Но много времени Фридман отдал математическому анализу решений космологических уравнений Эйнштейна. Незадолго до смерти Фридман получил серию решений уравнений Эйнштейна.

Выходило, что расширение может явиться одним из основных общих свойств Вселенной —  важнейшим атрибутом ее эволюции. Работы русского ученого поначалу не привлекли к себе должного внимания. Они были оценены по достоинству лишь в связи с открытием Э. Хабблом красного смещения и развитием современных представлений о первоначально горячей Вселенной и Большом Взрыве.

В 1927 году Ж. Леметр, студент из Эддингтона, независимо от Фридмана выдвинул свою идею возникновения Вселенной и ее дальнейшего расширения из точки. Ей дали на некоторое время название «атома-отца». Сам Леметр категорически был против подобного образа и вообще теологической трактовки своей теории. Процесс возникновения Вселенной Леметр представил в форме Большого Взрыва. Молодой ученый первым попытался найти и вероятные следы начального Взрыва. Леметр допускал, что таким отголоском могли быть космические лучи. Его гипотезу астрономы заметили лишь после выступления в 1933 году, когда Леметр выдвинул новый вариант концепции расширения Вселенной — из плотного сгустка материи конечных, но очень малых размеров.

Задача формирования более конкретной, физически разработанной  эволюционной космолого-космогонической модели расширяющейся Вселенной была решена в основном американским физиком Гамовым, русским по происхождению. Джордж (Георгий Антонович) Гамов (1904— 1968) впервые предложил в 1946 году теорию, получившую затем наименование «теории Большого Взрыва» (а точнее — «Большого Удара»). Согласно ей, вся современная наблюдаемая Вселенная представляет собой результат катастрофически быстрого разлета материи, находившейся до того в сверхплотном состоянии, недоступном для описания в рамках современной физики.

Удаление галактик подчиняется  необычным математическим закономерностям. Оно происходит с различными скоростями. Чем больше расстояние между галактиками, тем выше оказывается скорость их взаимного удаления.

Как считал Гамов, начавшееся при расширение материи — в форме неразделимой вначале высокотемпературной смеси излучения и вещества (элементарных частиц) — наблюдается и в наши дни в виде эффекта «красного смещения».

Гамов вместе со своими сотрудниками Р. Альфером и Р. Германом в 1948 году предсказал, что должно наблюдаться и остывшее первичное изотропное электромагнитное излучение тепловое с температурой около 5 К. 

Почти два десятилетия  концепция Большого Взрыва для большинства  астрономов оставалась «игрой ума» немногих физиков и космологов И только позднее стало ясно, что более раннему решению проблемы в немалой степени помешал тот разрыв в научных контактах, который все еще существует между современными теоретиками и наблюдателями. Сыграла существенную негативную роль и дифференцированность науки, из-за которой специалисты, даже работающие в близких областях, порой мало знают о проблемах своих соседей».

Следствием концепции  первоначально горячей Вселенной  явился вывод, что в наследство от этой эпохи, если только она действительно  имела место, должно повсеместно сохраниться во Вселенной остаточное, или, как его называют, реликтовое, излучение в радиодиапазоне.

Расчеты А.Г. Дорошкевича  и И.Д. Новикова в 1964 году показали, что  реликтовое излучение в принципе регистрируемо, и, следовательно, вывод  теории Большого Взрыва возможно проверить с помощью наблюдений. Гораздо позднее задним числом выяснилось, что ко времени указанного расчета реликтовое излучение уже было открыто в СССР и в Японии. В СССР это открытие было опубликовано аспирантом Пулковской обсерватории Т.А. Шмаоновым в 1957 году.

На протяжении 1966—1967 годов это открытие — открытие реликтового радиоизлучения Вселенной  — было независимо друг от друга  подтверждено рядом исследователей в разных странах. Особенности этого  явления, соответствующего общему тепловому излучению Вселенной с температурой около 2,7 К, совпали с предсказаниями теории Большого Взрыва.

Это открытие сделало  достоверным фактом по меньшей мере то, что Вселенная (Метагалактика) действительно  эволюционирует. Наконец, открытие реликтового излучения стало мощным стимулом для дальнейшей разработки идеи Большого Взрыва.

Новым этапом развития представлений  о ранних стадиях эволюции Вселенной  стала «теория горячей Вселенной», особенно в работах академика  Я.Б. Зельдовича (1914—1987) и его школы. Представление о характере начального расширения Вселенной в наши дни сильно изменилось. Помимо главной трудности в описании такого «начала» (недоступности его для современной теоретической физики), обнаружились другие серьезные трудности при попытке описать и последующую, уже в принципе доступную современной физике, но еще очень раннюю историю расширения Вселенной как целого.

 

32. Эволюция и строение галактик, звезд и планет.

Эволюция галактик –  процесс очень сложный. В начале галактики содержат много мол-ых массивных и ярких звезд, со временем от ранних эпох остаются менее массивные и более долго живущие звезды. В рез-те молодые галактики яв-ся очень яркими, а затем постепенно с возрастом их яркость уменьшается. Поскольку далекие галактики ярче, чем ожидалось, видимые расстояния до них оказ-ся заниженными, что в свою очередь дает завышенную плотность галактик. Поэтому Вселенная кажется нам закрытой в большей степени, чем это есть на самом деле. Учет эффектов эволюции галактик повышает оценки расстояний, соответственно, понижая оценки плотности, и приводит к выводу о том, что Вселенная более открыта, чем можно было бы предположить.