Концепции современного естествознания: конспект лекций.
2. Элементарные частицы. Происхождение Вселенной.
Согласно исследованиям, проведенным со спутников, пространство пронизано микроволновым излучением. Это микроволновое излучение является «наследством» от более ранних стадий существования нашей Вселенной.
К началу 1930-х гг. было известно, что большинство звезд состоит из гелия. Однако оставалось загадкой – откуда берется углерод. В 1950-е гг. Английский астрофизик, писатель, администратор, драматург Фред Хойл восстановил ход реакций в звездах. Именно эти рассуждения позволили Хойлу в 1953 г. предсказать важный энергетический уровень ядра углерода-12, и эксперименты физиков подтвердили его прогноз. В дальнейшем американский физик Уильям Фаулер, проведя соответствующие эксперименты, подтвердил данную теорию. И только потом была подготовлена соответствующая теоретическая база.
Ученые Ральф Алфер и Роберт Герман библейским словом «илем» назвали первичное вещество. Из него потом, по утверждению Алфера и Германа, и образовалась наша Вселенная. Это первичное вещество было не что иное, как нейтронный газ. Эти ученые разработали теорию, согласно которой к свободным нейтронам присоединялись тяжелые ядра. Этот процесс закончился только тогда, когда закончились свободные нейтроны. Хойл, не принявший теорию Алфера и Германа всерьез, назвал ее «thе big bаng thеоrу» – т. е. теория большого хлопка, но в России она больше известна как «теория Большого Взрыва».
Также существовала и теория холодной Вселенной. Ее автор, советский физик, физико-химик и астрофизик, Зельдович Яков Борисович заметил, что данные радиоастрономии не подтверждали большую плотность и большую температуру излучения (которые должны были быть при версии «горячего» происхождения Вселенной). Зельдович исходным веществом называл электронный газ с примесью нейтрино.
Этапы развития Вселенной. Начальную стадию существования Вселенной делят на 4 эры:
4) эра излучения.
Во время первой эры, эры адронов, элементарные частицы разделились на адроны и лептоны. Адроны участвовали в более быстрых процессах, а лептоны – в более медленных.
Во время второй эры, эры лептонов, часть частиц выходит из равновесия с излучением, а Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино.
Во время третьей, фотонной, эры главную роль в развитии Вселенной начинают играть фотоны. В начале данной эры число протонов и нейтронов было примерно равным, но затем они стали превращаться друг в друга.
Во время четвертой эры, эры излучения, протоны начинают захватывать нейтроны; образуются ядра бериллия и лития, а плотность Вселенной уменьшается примерно в 5–6 раз. Из-за уменьшения плотности Вселенной начинают образовываться первые атомы.
После четвертой эры (эры излучения) наступила еще одна эра: пятая, звездная, эра. Во время звездной эры начался сложный процесс формирования протозвезд и протогалактик.
Источник
Концепции современного естествознания: конспект лекций
С. П. Филин
Конспект лекций соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования РФ и предназначен для освоения студентами вузов специальной дисциплины «Концепции современного естествознания». Лаконичное и четкое изложение материала, продуманный отбор необходимых тем позволяют быстро и качественно подготовиться к семинарам, зачетам и экзаменам по данному предмету.
Оглавление
- Введение
- ЛЕКЦИЯ № 1. Предмет концепции современного естествознания. Натурфилософия
- ЛЕКЦИЯ № 2. Знание и познание
- ЛЕКЦИЯ № 3. Теория относительности. Элементарные частицы. Горячая Вселенная. Происхождение солнечной системы
- ЛЕКЦИЯ № 4. Галактики. «Трупы» звезд
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Концепции современного естествознания: конспект лекций предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
ЛЕКЦИЯ № 3. Теория относительности. Элементарные частицы. Горячая Вселенная. Происхождение солнечной системы
1. Теория относительности Альберта Эйнштейна
Прежде чем говорить о теории относительности Альберта Эйнштейна, нужно изучить опыт других физиков.
В 1881 г. американский физик Майкельсон поставил опыт с целью выяснения участия эфира (гипотетическая всепроникающая среда, которой, по научным представлениям прошлых столетий, приписывалась роль переносчика света и вообще электромагнитных взаимодействий) в движении тел. С помощью этого опыта Майкельсон опроверг существовавшую в то время гипотезу неподвижного эфира. Смысл данной гипотезы заключался в том, что при движении Земли сквозь эфир можно наблюдать так называемый «эфирный ветер».
Однако опыт Майкельсона был использован Эйнштейном всего лишь для подтверждения своей теории относительности.
Эйнштейн при создании теории хотел объединить механику и теорию электромагнитного поля. В классической механике был сформулирован принцип физической относительности, который заключался в том, что все механические процессы во всех инерциальных системах происходят одинаково.
Эйнштейн же сформулировал обобщенный физический принцип относительности: все физические явления происходят одинаково относительно любых инерциальных систем.
Согласно принципу постоянства скорости света и обобщенному принципу относительности, относительность является одновременностью двух событий к системе отсчета. Раньше считалось, что одновременность является абсолютным событием, которое не зависит от наблюдателя. Но в своей теории относительности Эйнштейн доказал, что время в движущейся системе отсчета протекает гораздо медленнее относительно течения времени в неподвижной системе отсчета.
Такие физические величины, как протяженность, время и масса, в теории относительности утратили свой статус абсолютности. Эйнштейн в качестве величины, которая имеет статус постоянной, оставил лишь силу (например, сила тяготения). Общая теория относительности содержит геометрическое толкование явления тяготения. Эйнштейн утверждал, что сила тяжести эквивалента равна искривлению неевклидова пространства. То есть объект, движущийся в пространстве и попавший в поле тяжести, изменяет траекторию своего движения.
Теперь можно сделать вывод, что в теории относительности Альберта Эйнштейна пространство и время имеют физические характеристики. А раз они имеют физические характеристики, следовательно, они являются частью мира физических процессов, причем частью, образующей всю внутреннюю структуру этого мира, «которая связана с законами бытия физического мира».
2. Элементарные частицы. Происхождение Вселенной
Согласно исследованиям, проведенным со спутников, пространство пронизано микроволновым излучением. Это микроволновое излучение является «наследством» от более ранних стадий существования нашей Вселенной.
К началу 1930-х гг. было известно, что большинство звезд состоит из гелия. Однако оставалось загадкой — откуда берется углерод. В 1950-е гг. Английский астрофизик, писатель, администратор, драматург Фред Хойл восстановил ход реакций в звездах. Именно эти рассуждения позволили Хойлу в 1953 г. предсказать важный энергетический уровень ядра углерода-12, и эксперименты физиков подтвердили его прогноз. В дальнейшем американский физик Уильям Фаулер, проведя соответствующие эксперименты, подтвердил данную теорию. И только потом была подготовлена соответствующая теоретическая база.
Ученые Ральф Алфер и Роберт Герман библейским словом «илем» назвали первичное вещество. Из него потом, по утверждению Алфера и Германа, и образовалась наша Вселенная. Это первичное вещество было не что иное, как нейтронный газ. Эти ученые разработали теорию, согласно которой к свободным нейтронам присоединялись тяжелые ядра. Этот процесс закончился только тогда, когда закончились свободные нейтроны. Хойл, не принявший теорию Алфера и Германа всерьез, назвал ее «the big bang theory» — т. е. теория большого хлопка, но в России она больше известна как «теория Большого Взрыва».
Также существовала и теория холодной Вселенной. Ее автор, советский физик, физико-химик и астрофизик, Зельдович Яков Борисович заметил, что данные радиоастрономии не подтверждали большую плотность и большую температуру излучения (которые должны были быть при версии «горячего» происхождения Вселенной). Зельдович исходным веществом называл электронный газ с примесью нейтрино.
Этапы развития Вселенной. Начальную стадию существования Вселенной делят на 4 эры:
4) эра излучения.
Во время первой эры, эры адронов, элементарные частицы разделились на адроны и лептоны. Адроны участвовали в более быстрых процессах, а лептоны — в более медленных.
Во время второй эры, эры лептонов, часть частиц выходит из равновесия с излучением, а Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино.
Во время третьей, фотонной, эры главную роль в развитии Вселенной начинают играть фотоны. В начале данной эры число протонов и нейтронов было примерно равным, но затем они стали превращаться друг в друга.
Во время четвертой эры, эры излучения, протоны начинают захватывать нейтроны; образуются ядра бериллия и лития, а плотность Вселенной уменьшается примерно в 5–6 раз. Из-за уменьшения плотности Вселенной начинают образовываться первые атомы.
После четвертой эры (эры излучения) наступила еще одна эра: пятая, звездная, эра. Во время звездной эры начался сложный процесс формирования протозвезд и протогалактик.
3. «Горячая» Вселенная
Основоположником теории «горячей» Вселенной был американский физик Георгий Антонович Гамов. Именно он в 1946 г. заложил основы этой теории и в дальнейшем занимался ее изучением.
Как известно, в соответствии с законами термодинамики при высоких плотностях и температурах в разогретом веществе всегда должно находиться в равновесии с ним и излучение. Гамов утверждал, что в результате процесса нуклеосинтеза излучение должно остаться и до настоящего времени. Только его температура должна будет «понизиться» из-за постоянного расширения.
Гамов на протяжении почти десяти лет консультировался с различными учеными и занимался разработкой формулы и схемы.
В результате кропотливого труда появилась А — Б — Г-теория по именам ее создателей: Алфер, Бете, Гамов.
Что же дала теория «горячей» Вселенной? Она дала необходимые соотношения таких веществ, как водород и гелий в современной Вселенной. Тяжелые элементы рождались, возможно, при взрывах сверхновых звезд. Также Гамов в своей заметке, опубликованной в 1953 г., предсказал фоновое излучение.
Существование данного фонового излучения совершенно случайно подтвердили американские ученые (будущие лауреаты Нобелевской премии): радиофизик и астрофизик Арно Пензиас и радиоастроном Роберт Вильсон. Они отлаживали рупорную антенну нового радиотелескопа и никак не могли избавиться от помех. Только потом они поняли, что это были не простые помехи, а предсказанное Гамовым фоновое излучение.
Теория «горячей» Вселенной оказала такое мощное влияние на науку, что Хойл, автор теории вечной Вселенной, признал несостоятельность своей теории, хотя он и попробовал потом ее модернизировать.
4. Происхождение Солнечной системы
Вопросом происхождения нашей Солнечной системы занимается космогония.
Одну из главных теорий происхождения Солнечной системы выдвинул Кант. Он утверждал, что Солнечная система образовалась из хаоса. Также он говорил, что все мировое пространство заполнено некоей инертной материей, которая является неупорядоченной, но «стремится преобразоваться в более организованную путем естественного развития».
Также Кант считал, что Млечный Путь для звезд — это то же самое, что и Зодиак для Солнечной системы. В результате проведенных исследований и многочисленных наблюдений Кант представил свою структуру Вселенной: Вселенная — это не что иное, как иерархия самогравитирующих систем. Все системы, считал он, должны иметь сходную структуру.
Теория Лапласа. Лаплас на основе идей Канта создал свою теорию, которая получила наименование небулярной гипотезы Канта-Лапласа. Небулярная гипотеза Канта не была известна по одной банальной причине: издатель, который напечатал данный труд Канта, обанкротился, а его книжный склад в Кенигсберге был опечатан. Небулярная теория Канта-Лапласа долгое время оставалась первой ротационной гипотезой о возникновении солнечной системы. Данная теория имела и свои недостатки:
1) она не объясняла больших размеров орбит внешних планет-гигантов и медленности вращения Солнца;
2) она не отвечала на вопрос, почему «момент количества планет почти в двадцать девять раз больше момента количества Солнца, если солнечная система изолирована».
Существовали также катастрофические гипотезы происхождения Солнечной системы. Например, Джинс предположил, что когда-то мимо нашего Солнца прошла неподалеку какая-то другая звезда, и вследствие этого на Солнце появились «приливные выступы», которые трансформировались в газообразные струи, из которых позже и возникли планеты.
Источник
Элементарные частицы. Происхождение Вселенной
В модели горячей Вселенной особенную проработку получили самые первые доли секунды ее существования. Детальные расчеты процессов проводилась с использованием быстродействующих ЭВМ с большими объемами памяти.
Модели горячей Вселенной начальную стадию ее образования делят на четыре «эры», для каждой из которых можно выделить преобладающую форму существования материи, определяющую их названия. Схематичное описание последовательности процессов, протекавших во Вселенной, дается ниже.
В самом начале эры адронов, продолжавшейся 0,0001с была велика энергия гамма-квантов. При высоких температурах могли существовать частицы только больших масс, для которых существенны все четыре вида фундаментальных взаимодействий. Названия первых эр соответствуют процессам, протекающим в эти интервалы времени.
Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов: плотность d > 1014 (г/см3), температура Т > 1012К, время t 3МэВ) и соответствующих плотностях плазмы нейтрино находились в равновесии с плазмой и излучением. С понижением температуры в ходе расширения взаимодействие нейтрино с плазмой практически прекратилось (как из-за уменьшения плотности плазмы, так и из-за уменьшения сечения взаимодействия нейтрино с веществом, обусловленного уменьшением средней энергии нейтрино), после чего концентрация реликтовых (оставшихся от ранних стадий расширения) нейтрино изменялась только за счет расширения Вселенной. Исходя из этих соображений, С. С. Герштейн и Я. Б. Зельдович в 1966г. указали, что в рамках теории горячей Вселенной современная средняя концентрация реликтовых нейтрино Nn сравнима по величине с концентрацией реликтовых фотонов Ng.
Фотонная эра продолжительностью 1 млн. лет следовала за лептонной. Основная доля массы-энергии Вселенной приходилась на фотоны, которые еще взаимодействовали с веществом. В первые 5 минут эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры имели место взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры избыток протонов составил 15 %.
Эре излучения соответствовали температуры: 3000К 0) должны быть распределены неоднородно. В видимой части Галактики концентрация реликтовых нейтрино должна составлять 107 — 108 см3, что соответствует плотности 10-24 — 10-25г/см3, ничтожной не только по сравнению со средней плотностью Солнца или Земли, но и со средней плотностью Солнечной системы в пределах орбиты Плутона.
Образно говоря, мы живем в нейтринном мире. Согласно принятым моделям, при плотности большей некоторой критической, Вселенная не будет расширяться до бесконечности, а со временем начнет сжиматься. Произойдет это примерно через 30-40 миллиардов лет. Сжатие будет сопровождаться увеличением температуры, повышением плотности вещества, изменением его физической структуры, химического состава. Через 70 миллиардов лет Вселенная вступит в сверхплотную и горячую стадию, то есть придет к тому, с чего начала.
Интересные результаты были получены А.Г.Пархомовым о возможной роли космологических нейтрино в объяснении непонятных явлений. Он использовал новейшие достижения физики и астрофизики: данные о возможной массе покоя нейтрино и космологические представления о реликтовых нейтрино. Сделав оценочные расчеты, автор гипотезы рассмотрел роль реликтовых нейтрино в некоторых процессах на Солнце и планетах. Оказалось, что Солнце и планеты могут быть эффективной гравитационной «ловушкой» для реликтовых нейтрино. Определенная часть нейтрино должна совершать орбитальные и колебательные движения около Солнца и планет ( и в их недрах), а также вращаться и колебаться относительно центра масс всей Солнечной системы. Кроме того, около поверхности планет и Солнца должен быть тонкий слой с повышенной концентрацией нейтрино — нейтриносфера. Реликтовые нейтрино удерживаются около Солнца в огромном чечевицеобразном облаке, размеры которого можно оценить в несколько расстояний между Землей и Солнцем.
По-видимому, существование вытянутой нейтриносферы Солнца открыто сотрудником ИЯИ РАН член-корреспондентом РАН В. Лобашовым, который экспериментально установил, что дважды в год Земля проходит в своем орбитальном движении через области повышенной концентрации реликтовых нейтрино.
Для нейтрино, движущихся со скоростью около 10 км/с, дебройлевская длина волны составляет величину порядка 1 мм. Поэтому в нейтриносфере Земли должны наблюдаться макроскопические квантовые эффекты, например, образование квазиатомов, имеющих размеры обычных тел, различные интерференционные эффекты и т.п. Все эти эффекты могут вызвать явления, которые мы сейчас воспринимаем как аномальные, непонятные.
А.Г. Пархомов показал, что нейтриносфера Земли (если она существует) может объяснить ряд непонятных эффектов, зарегистрированных в электронных генераторах фликкер-шумов, а также, возможно, и в других физических и химических системах. Отсюда важная экстраполяция на клетки живых организмов, которые являются физико-химическими системами и генерируют шумы. Естественно предположение, что живые клетки должны реагировать на процессы в ионосфере, что приводит к возможности существования «нейтринной чувствительности» живого. «Нейтринное чувство» не нуждается в специальном органе, подобном глазу, уху и т.п. Оно может осуществляться центральной нервной системой, способной анализировать и синтезировать специфические сигналы, поступающие от соответствующих клеток организма, отвечающих за «нейтринное чувство» (например, об увеличении в них уровня шума).
Идеи и расчеты о нейтриносфере хорошо согласуются с микролептонной теорией, разработанной А.Ф. Охатриным, в которой показана возможность существования целого класса нейтриноподобных частиц — микролептонов с различной массой покоя. Он выдвинул идею о роли микролептонов для объяснения некоторых непонятных эниоявлений, в первую очередь, для понимания природы биолокационного метода. Сейчас уже можно считать доказанным существование мирового лептонного газа (МЛГ), пронизывающего все тела во Вселенной и заполняющего «пустоту». Судя по экспериментам отечественных ученых А.Охатрина и Н.Сочеванова, можно говорить о сотне разновидностей нейтрино. По сравнению с ядрами атомов лептоны настолько малы, что могут свободно пронизывать все предметы материального мира подобно молекулам ветра, пролетающим сквозь ячейки рыбацких сетей.
Источник