6. Общая теория относительности.

В рамках общей теории относительности, которая создавалась в течение десяти лет, с 1906 по 1916 г., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения. Поэтому общую теорию относительности часто называют теорией тяготения. В ней были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Общая теория относительности основывается на трех постулатах.Первый постулат общей теории относительности — расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл только по отношению к фактору, его определяющему.Второй постулат — принцип постоянства скорости света — остается неизменным.Третий постулат — принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классической механике. Важнейшим выводом общей теории относительности стала идея, что изменение геометрических (пространственных) и временных характеристик тел происходит не только при движении с большими скоростями, как это было доказано специальной теорией относительности, но и в гравитационных полях.Сделанный вывод неразрывно связывал общую теорию относительности с геометрией, но общепризнанная геометрия Евклида для этого не годилась. Эйнштейн использовал геометрию Б. Римана, которая верна для поверхности сферы, и сделал вывод о кривизне пространства-времени.

Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины и будем считать, что это модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики — модели звезд и планет. Шарик будет прогибать лист резины тем больше, чем больше его масса. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства-времени от массы тела, подтверждает правоту Римана.

Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца, достаточно небольшой по космическим меркам звезды, влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому, если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала, отправленного на такое же расстояние, Солнца не будет.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности — полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронных звезд, а у гравитационного радиуса черной дыры оно столь велико, что время там, с точки зрения внешнего наблюдателя, просто замирает.

Существование черных дыр было предсказано общей теорией относительности. Если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км), оно превратилось бы в черную дыру. Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы.

Вопросы для контроля усвоения материала:

1.Какова взаимосвязь макро- микро- и мегамиров?

2.Опишите строение Галактики.

3.Какова современная классификация звёзд?

4.В чём состоит многообразие форм материи?

5.В чём заключаются особенности физических взаимодействий?

6.Каковы особенности корпускулярной и континуальной концепций описания природы?

7.Назовите основные концепции квантовой механики.

Лекция 4. Современная физика о развитии природы (2 часа)

План:

1. Происхождение и эволюция Вселенной

2. Модель нестационарной Вселенной Фридмана

3. Принцип возрастания энтропии

4. Законы динамики и детерминизм Лапласа

1. Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции. Космогония – это наука о происхождении и эволюции различных структурных форм самоорганизации материи во Вселенной: планет, звезд, галактик, скоплений галактик и т.п.

Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Метагалактика – часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки.

Единицы измерения расстояний в мегамире: Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца (1,5×1011 м). Световой год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года (9,46×1015м). Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08×1016м = 3,26 св. г. Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет.

Наше Солнце – звезда третьего поколения. Оно образовалось около 5 млрд. лет назад из космического газа и пыли. Солнце расположено от центра нашей Галактики, Млечный Путь на расстоянии 28000 св. лет и вращается вокруг ее ядра со скоростью примерно 250 км/с. Солнце состоит в основном из водорода и гелия. Строение Солнца: ядро, зона излучения, зона конвекции, фотосфера, хромосфера, солнечная корона. Проявление Солнечной активности: пятна, вспышки, факелы, протуберанцы. Строение Солнечной системы. Вокруг Солнца вращаются 8 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс (земная группа); Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (планеты-гиганты). В Солнечной системе есть также большое числомалых тел – астероидов, комет, метеоритов и метеоров. С 2006 г. Плутон (когда-то девятую планету) стали считать малым телом Солнечной системы.

Планеты земной группы сравнительно невелики, медленно вращаются вокруг своих осей, у них мало спутников (у Меркурия и Венеры нет). У Меркурия атмосферы практически нет, очень плотная атмосфера Венеры состоит, в основном, из СО2. Земля имеет плотную азотно-кислородную атмосферу. Сильноразреженная атмосфера Марса состоит в основном из CО2.

Поверхность планет Земной группы твердая, гористая.

Планеты-гиганты. Это большие газо-жидкие планеты. Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (9-18 часов). Гиганты и их атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, возможно, состоящее из водорода, обладающего металлическими свойствами. Планеты- гиганты окружены естественными спутниками (в количестве от 8 до 18).

Гипотезы происхождения Солнечной системы: Объединенная гипотеза И.Канта (1755 г.) и П.С.Лапласа (1796 г.): Солнечная система возникла из газопылевой туманности, которая находилась в состоянии вращения. От туманности вследствие центробежных сил отделялись кольца, из которых впоследствии образовались планеты. Д.Х.Джинс (1917 г.): образование планет связано с близким прохождением около Солнца другой звезды. За счет приливных сил из Солнца была выброшена струя газа, из которого впоследствии и сформировались планеты. О.Ю.Шмидт (1943 г.): Солнце могло захватить из Галактики материю другого газопылевого облака, и из этого материала создавались планеты. Звезда – это пространственно обособленная, гравитационно связанная, непрозрачная для излучения масса вещества, в которой естественнымобразом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза. Основными характеристиками звезд являются: масса, радиус, абсолютная величина, характеризующая ее светимость, температура, спектральный класс. Спектральный класс звезды, или ее цвет, характеризует и ее температуру. Так, звезды красного цвета имеют температуру поверхности около 4000 К, желтого цвета (как наше Солнце) – 6000 К, а горячие звезды с температурами больше 10000 К видятся нам белыми и голубыми. Эволюция звезд. Возникновение газо-пылевого облака (глобулы) в местах высокой плотности вещества, протозвезда, настоящая звезда Главной последовательности, красный гигант. Этапы эволюции звезд при разных массах: белый карлик, черный карлик; сверхновая звезда, нейтронная звезда; черная дыра.

Галактики – системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением. Наша Галактика – Млечный Путь состоит из более 150 млрд. звёзд, диаметр ее около 100 тыс. световых лет. Она имеет форму диска с утолщением в центре, рукава Галактики имеют спиральную форму. Самые многочисленные звезды в нашей Галактике — это карлики (массой примерно в 10 раз меньше массы Солнца). Межзвездное пространство заполнено полями (электромагнитным и гравитационным) и разреженным межзвездным газом.

По внешнему виду все галактики делятся на эллиптические, спиральные и неправильные. В 1963 г. во Вселенной были открыты квазары – звездоподобные источники излучения с широким диапазоном длин волн от рентгеновских лучей до радиоволн и световых лучей. Это – весьма удаленные от нас объекты Вселенной.

К настоящему времени их насчитывается более тысячи. По современным представлениям квазары – это активные ядра далеких галактик. Эволюция галактик. Вначале Галактика представляла собой медленно вращающееся гигантское газовое облако, которое под действием собственнойгравитации сжималось. В ходе этого сжатия рождались первые звезды, и происходило постепенное разделение звездной и газовой составляющих Галактики. Выделяющаяся при сжатии энергия гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В итоге кинетическая энергия везд достигла значения, при котором дальнейшее сжатие поперек оси вращения стало невозможным. Подсистема самых старых звезд, возникших в начале коллапса протогалактики, сохранила первоначальную сферическую форму. Сжатие газа вдоль оси вращения продолжалось, что привело к формированию тонкого газового диска. Впоследствии формирующиеся в нем звезды образовали вращающуюся дисковую спиральную подсистему. В результате продолжающейся гравитационной конденсации в Галактике происходит непрерывное образование звезд из межзвездного газа.

Разбегание галактик. В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что линии в спектрах многих галактик смещены к красному концу спектра, следовательно, расстояние между нашей Галактикой и другими увеличивается. Расширение Метагалактики говорит о том, чтоВселенная нестационарна, она изменяется, эволюционирует, что еще раз подтверждает всеобщий, универсальный характер принципа эволюции.

Модели строения Вселенной. Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная. Геоцентрическая система мира Птолемея. Гелиоцентрическая система мира Коперника. И.Ньютон: Вселенная безграничная, бесконечная, однородная и неизменная. А.Эйнштейн: Вселенная однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества. А.А.Фридман: Вселенная нестационарна. Наблюдательное подтверждение нестационарности селенной: красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря ффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик).

Модель большого взрыва Г.Гамова. Возраст Вселенной – 15-12 млрд. лет. По непонятным науке причинам Вселенная внезапно возникла в очень малом, практически точечном объеме чудовищной плотности и температуры(сингулярности) и стала стремительно расширяться. Различные эпохи нашей Вселенной: рождение пространства-времени, стадия инфляции, рождение вещества, рождение избытка барионов, электрослабый фазовый переход, кварки и глюоны – рождение протонов и нейтронов, первичный нуклеосинтез, доминирование темной материи, рекомбинация водорода, образование крупномасштабной структуры Вселенной. Основные наблюдательные тесты теории: распространенность легких элементов в космосе; красное смещения спектров удаленных галактик, открытие и исследование крупномасштабной структуры Вселенной; гравитационные линзы; реликтовое электромагнитное излучение, которое по интенсивности соответствует тепловому излучению абсолютно черного тела притемпературе около 3 К.

2. Модель нестационарной Вселенной Фридмана

 А. А. Фридман на основании строгих расчетов установил, что Вселенная никак не может быть стационарной. Фридман сделал это открытие, опираясь на сформулированный им космологический принцип, строящийся на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной. Фридман доказал, что уравнения Эйнштейна имеют решения, согласно которым Вселенная может расширяться либо сжимать­ся. При этом речь шла о расширении самого пространства, т. е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напо­минала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются. Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверж­дения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера – изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием (примерно 55 км/с на каждый миллион парсек). В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, согласно которому Вселенная – это множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Фридман предложил три модели Вселенной. А. А. Фридман показал, что решения уравнений общей теории относительности для Вселенной позволяют построить три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет и Вселенная бесконечно расширяется (в одной модели – из точки; в другой – начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически изменяющимся радиусом кривизны. Выбор моделей зависит от средней плотности вещества во Вселенной. По какому из этих вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлета вещества. Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тя­готения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселенной». Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, пос­ле чего начнется сжатие вещества плоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконеч­но большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирующей, или «закрытой Вселенной». В случае, когда силы гравитации равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю.