Разумова Е.Р. КСЕ

31

которые при благоприятных условиях могут попасть на другие ядра урана и вызвать их деление.

Незадолго до смерти 1937в году великий экспериментатор .Э Резерфорд написал в одной из статей: «Вряд ли когда-либо работы по ядерной физике смогут найти практическое применение». Даже гении иногда ошибаются. Через несколько лет, в 1942 г. заработал первый построенный в США Э. Ферми ядерный реактор. Это была основа для будущих атомных электростанций, атомных ледоколов и подводных лодок. Но работы по ядерной физике принесли человечеству не только пользу. Полным ходом сначала в Германии и , СШАазатем в Советском Союзе начались разработки, связанные с ядерным оружием. В США эти работы возглавилРоберт Оппенгеймер, в СССР – Игорь Васильевич Курчатов. Недавно появились сведения о, чтотом немецкие ученые, оставшиеся в фашистской Германии, во главе с В. Гейзенбергом саботировали создание ядерного оружия в Германии, направив технические разработки по тупиковому пути.

В 1945 г. США сбросили ядерные бомбы над городами Хиросимой и Нагасаки. По существу, это было первое испытание ядерного оружия, никакой стратегической необходимости в этих бомбардировках не было. Вскоре (в 1949 г.) ядерная бомба появилась в СССР, в 1953 г. в нашей стране была создана и испытана первая термоядерная бомба.

Мир вступил в эпоху гонки ядерных вооружений, что грозило не только

Контрольные вопросы:

1.Что такое квант? Кто ввел этот термин в науку?

2.В чем сущность постулатов Бора?

3.Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

4.Что такое радиоактивность?

5.Почему радиоактивность опасна для живых организмов?

32

Тема 7. Мегамир : теория относительности А. Эйнштейна

Как уже было сказано в разделе о микромире, новая физика родилась на рубеже XIX и ХХ веков, поскольку классическая наука не могла объяснить результаты ряда экспериментов, проведенных в XIX веке. Из стремления объяснить рентгеновское излучение и явление радиоактивности возникли квантовая механика и ядерная физика.

специальная теория относительности. Вторым «китом» стал принцип относительности Г. Галилея, который А. Эйнштейн переформулировал так: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов, и ни

являются звезды, галактики и Вселенная), не работает парадигма Ньютона об абсолютности и независимости пространства и времени. Отсюда следовало, что при больших скоростях пространство и время оказываются взаимосвязанными, и время является четвертой координатой, т.е. пространство как минимумчетырехмерно. Из этого вытекало три следствия:

33

1) при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, расстояние сокращается, отрезок укорачивается и при скорости света (если бы она оказалась достижимой) стягивается в точку;

2) при больших скоростях время замедляется(мысленный эксперимент А. Эйнштейна, названный «парадоксом близнецов»);

3) масса тела при больших скоростях возрастает. Отсюда следует, что никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, т.к. для этого потребуется бесконечная энергия.

знаменитая формула Е= mc², где Е – энергия частицы, m – его масса, с

относительности пришло из микромира. Выяснилось, что при опытах с элементарными частицами, которые в ускорителях разгоняют до очень больших скоростей, наблюдается эффект возрастания массы при возрастании скорости, так называемые релятивистские поправки к массе (английское слово relative означает «относительный»).

Сказанное свидетельствует о , томчто специальная теория относительности описывает не только мегамир, но также и микромир, в котором скорости также весьма велики. В макромире же скорости

слишком низки, а массы слишком велики, чтобы экспериментально

находящиеся в четырехмерном пространстве, искривляют его и что все объекты – и частицы, и лучи света – будут двигаться не по прямым, а по геодезическим линиям (геодезическая линия на сфере– это дуга). Чем массивнее тело и выше его плотность, тем больше оно искривляет

окружающее его пространство, и тем большую силу притяжения

34

Солнца и наблюдаемым во время солнечного затмения. Оказалось, что луч движется не по прямой, а по дуге, поскольку Солнце, являясь огромной гравитационной массой, искривляет пространство вокруг себя.

Добавим еще, что выше изложено упрощенное словесное описание

Может показаться, что все изложенное выше противоречит здравому смыслу. Это происходит потому, что в мегамире (как и в микромире) мы не можем обратиться к спасительной наглядности: человечество живет в макромире, и очень трудно представить себе четырехмерное искривленное пространство и замедляющееся , времяа также микрочастицу, которая одновременно является волной. Но в древности людям так же сложно было представить себе, что шарообразная Земля несется вокруг Солнца, это тоже казалось противоречащим здравому смыслу, однако в результате оказалось верным. Классическая физика оказывается справедливой как предельный частный случай, когда скорости намного меньше скорости света, а массы намного меньше масс в мегамире.

Таким образом, создание А. Эйнштейном теории относительности

Контрольные вопросы:

1.Чей опыт послужил толчком для создания теории относительности?

2.В чем суть основной парадигмы А. Эйнштейна?

3.Что такое «парадокс близнецов»?

Тема 8. Мегамир : строение и эволюция Вселенной. Космические объекты. Солнечная система

Во-первых, определим, что такое Вселенная. Это место вселения человека. Строго говоря, мы можем делать какие-либо выводы не о всей Вселенной, а о той ее части, которая доступна для наблюдения и экспериментального исследования. Эта часть называетс

35

Метагалактикой. Но термин «Вселенная» более привычен, поэтому в дальнейшем мы будем его употреблять, подразумевая Метагалактику.

На основании общей теории относительности А. Эйнштейн вывел космологическое уравнение, предполагая, что Вселенная однородна (т.е. ее свойства одинаковы во всех точках), изотропна (т.е. ее свойства не зависят от направления) и стационарна (т.е. объем и радиус ее

.А. Фридман проанализировал космологическое уравнение Эйнштейна и доказал, что стационарный мир является только частным случаем

решения этого уравнения, что искривленное пространство не может

Из классической физики известно, что спектры излучения удаляющихся объектов должны быть сдвинуты в красную сторону (красный сдвиг), а спектры приближающихся– в фиолетовую (фиолетовый сдвиг). Это явление называется эффектом Доплера. Э.Хаббл обнаружил, что чем дальше от нас находится звезда, тем больше ее линейчатый атомный спектр водорода( это основной составляющий компонент звезд) смещен в красную сторону. Иными словами, чем дальше от нас звезда, тем быстрее она удаляется. А это, в

раздувающийся шар с нанесенными на него точками. При надувании такого шара расстояние между двумя любыми точками возрастает, но ни одну них нельзя назвать центром расширения. Несмотря на то, что

открытие . Э Хаббла блестяще подтвердило предсказан

36

А.А. Фридмана, который о умер в1925 г., работы последнего долгое время оставались неизвестными научному миру.

Открытие Хаббла, естественно, поставило следующий вопрос:

(он учился вместе с .А.ФридманомА, работал под руководством академика А.Ф. Иоффе и покинул родину в1933 г.) к идеям «горячей Вселенной», сингулярной точки и Большого взрыва. Согласно этой

температуры могли образоваться ядра, а затем и первые атомы, Это были атомы водорода (самого простого – один протон и один электрон – и самого распространенного химического элемента во Вселенной). Именно из водорода в основном состоят все звезды.

Г.А. Гамов предсказал, что если гипотеза Большого взрыва верна, то должно сохраниться остаточное тепловое излучение, которое соответствует температуре примерно6 К. В 1965 г. это излучение,

названное «реликтовым», идущее со всех направлений Вселенной с

37

которые светятся отраженным солнечным светом. относятся планеты, метеориты, космическая пыль и кометы,

Особыми космическими объектами являются«черные дыры», имеющие такую большую массу, что для преодоления ее гравитации необходимо развить скорость, большую скорости света, что, как известно, невозможно (результаты опыта Майкельсона). Поэтому черные дыры ничего не излучают и не отражают, а только поглощают любые сигналы. Астрономы обнаружили характерное рентгеновское излучение от окружающего предполагаемые черные плазменного диска. Есть гипотеза о том, что 90% массы всей Вселенной находится в черных дырах, а поскольку, согласно формуле Эйнштейна, масса пропорциональна энергии, черные дыры – это огромный энергетический запас Вселенной.

Скопления звезд называютсягалактиками. Наша галактика называется Млечным путём и состоит из ядра с максимальной плотностью звездного вещества и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – примерно 100 тыс. световых лет (световой год – это расстояние, которое свет проходит за промежуток времени, равный одному земному году). Если можно применить к галактике понятие «вид сбоку», то в этом плане она представляет собой гигантский диск толщиной примерно 1500 световых лет. На расстоянии примерно двух третей от центра галактики находится Солнечная система.

Первый внегалактический объект был открыт .ЭХабблом в 20-х годах ХХ века и назван«туманностью Андромеды». Позже были открыты тысячи других галактик, .Э Хаббл предложил их классификацию (спиральные, эллиптические, неправильные). В 1963 г. были открыты квазары(квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью,

сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньше их. Была выдвинута гипотеза, что квазары – это ядра новых галактик, а это значит, что процесс образования новых звезд продолжается и поныне.

Солнечная система

Солнечная система, относящаяся уже кмакромиру, состоит из Солнца и девяти планет, а также множества астероидов, метеоритов и космической пыли. Солнце –звезда средней величины, ее возраст –

38

примерно 5,5 млрд лет, температура на поверхности Солнца– около

6000 К.

Существуют две гипотезы образования планет Солнечной системы

– «горячая» и «холодная». Суть горячей гипотезы в том, что планеты –

аргументированной. Первые четыре ближайшие к Солнцу планеты– Меркурий, Венера, Земля, Марс – это планеты земной группы. Они твердые, имеют сравнительно небольшую массу и магнитное поле. Следующие четыре планеты – это планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Их массы гораздо больше массы Земли, и состоят они из затвердевших при низких температурах газов. Все 8 планет движутся в единой плоскости по эллиптическим орбитам.

Последняя планета – Плутон – небольшая по массе и размерам, твердая и движется в другой плоскости. Есть гипотеза о том, что Плутон – это астероид, пролетавший мимо Солнечной системы и попавший в зону гравитации Солнца. Радиус Солнечной системы, т.е. расстояние от Солнца до Плутона, составляет 5,5 световых часов.

Таким образом, к середине ХХ века был экспериментально доказан и теоретически обоснован факт расширения Вселенной. Это было одним из выдающихся открытий в астрономии ХХ века. Была также высказана и обоснована гипотеза Большого взрыва – основы рождения Вселенной.

Контрольные вопросы:

1.Что такое «красное смещение»?

2.Что такое «черные дыры»?

3.Чем обусловлена светимость звезд?

Тема 9. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Строение материи и структурные уровни ее организации.

Как уже было сказано в первой главе, еще в Древней Греции было выдвинуто две концепции мироздания: дискретная (атомистическая) Демокрита и континуальная(непрерывная) Аристотеля. Об идее Демокрита забыли на двадцать с лишним веков и вспомнили о ней лишь в XIX веке, когда было экспериментально установлено, что все

39

вещества состоят из молекул, а молекулы, в свою очередь, из атомов. Примерно тогда же Максвеллом было введено понятие поля. Идеи дискретности и континуальности мироздания обрели новое звучание.

Изложенный выше материал позволяет выстроить современную схему строения материи. Прежде всего следует определить, что такое материя. Наиболее удачным является такое определение: «Материя – это объективная реальность, данная нам в ощущениях». Существует материя в двух формах – вещества и поля.

До введения понятия поля считалось, что взаимодействие между телами может мгновенно осуществляться непосредственно через пустое пространство, не принимающее участия в передаче взаимодействий.

теория поля пока не создана, эту задачу предстоит решать ученым XXI, а возможно и последующих веков. Передается поле с помощью волны.

Другой формой существования материи являетсявещество. Оно состоит из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов, атомы – из ядра и электронной оболочки, ядро – из протонов, нейтронов и

вспомнить о корпускулярно-волновом дуализме Л. де Бройля: каждой микрочастице соответствует волна и наоборот: каждой волне можно сопоставить поток микрочастиц. Глубокий физический (и философский) смысл этого принципа состоит в том, что он говорит о единстве материи и двух ее форм – вещества и поля.

40

Структурные уровни организации материи

В предыдущем изложении не раз употреблялись терми МИКРОМИР, МАКРОМИР и МЕГАМИР. Ими условно обозначаются структурные уровни организации материи.

МИКРОМИР – мир объектов, размер которых равен или меньше

достаточно больших скоростей; изучением микромира занимается

Контрольные вопросы:

1.Что такое материя и в каких формах она существует?

2.Что такое концепция близкодействия?

3.В чем глубочайший смысл корпускулярно-волнового дуализма?

Литература: [7, 10, 11, 13].