Современная физическая картина мира и ее формирование

Опыт Майкельсона и его влияние на создание теории относительности.

К концу XIX века физики не сомневаются в существовании эфира как некой упругой среды, в которой располагаются все тела, включая планеты и звезды.

1881 – Майкельсон издает прибор «Интерферометр», в котором один луч света направлен по движению Земли, второй - перпендикулярно. Результат – скорость света одинакова. Не выявлена разность скорости движения световых лучей. Так была доказана постоянная скорость света и не выявлен эфир.

Создание специальной теории относительности Эйнштейна

К рубежу XIX-XX века развитие физики привело к осознанию несовместимости и противоречивости трех принципиальных положений классической механики.

1. Скорость света в пустом пространстве постоянна.

2. В двух системах координат движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга все законы природы строго одинаковы.

3. Существует абсолютные и неизменные пространства и время.

Благодаря своим умозрительным примерам Эйнштейн предлагает отказаться от представления об абсолютном пространстве и времени. С его точки зрения пространство и время относительны.

1904 – Лоренц предложил считать, что движущиеся тела сокращаются в направлении своего движения.

1905 – Эйнштейн истолковал преобразования Лоренца как истину. Из специальной теории относительности следует, что длина тела, то есть расстояние между двумя точками, и длительность происходящих в нем процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При скоростях, близких к скоростям света, все процессы в системе замедляются, то есть время идет медленнее, а продольные размеры тела сокращаются, события, одновременные для одного наблюдателя, являются разновременными для другого движущегося относительно него.

Эйнштейн специально теорию относительности создает для инерциальных систем, то есть без учета гравитационных полей.

Общая теория относительности

В 1915-1916 гг Эйнштейн создает первую неклассическую теорию гравитации, то есть общую теорию относительности, которая касается неинерциальных систем.

Гравитация – равенство инертной и тяжелой массы. Инертная масса – способность тела к сопротивлению внешним воздействиям. Тяжелая или гравитационная масса – физическая величина, которая определяет меру гравитационного взаимодействия рассматриваемого тела с другими телами. Эйнштейн в своей теории относительности придает понятию массы новый смысл.

Е = m * v2

m = Е : с2

Таким образом, Эйнштейн связывает массу тела с содержащейся в нем энергии, и масса тела оказывается зависимой от его скорости при скоростях, приближенных к скоростям света.

Таким образом, общая теория относительности заменяет закон всемирного тяготения Ньютона на полевой закон тяготения.

В этой картине мира поле здесь и теперь зависит от поля, находящегося в непосредственном соседстве. Электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света, аналогичным образом действует гравитационное поле. Массы, которые создают поле тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля.

Согласно Эйнштейну, тело движется не под действием других тел, а под действием пространства. Уилер из обей теории относительности выводит следующий принцип: пространство, воздействуя на материю, указывает, как ей двигаться; материя, в свою очередь, оказывает обратное воздействие, указывает, как ему искривляться.

Эйнштейн решал проблему движения планет по криволинейным замкнутым орбитам и сделал следующий вывод: свободное тело всегда движется в поле тяжелого тела по геодезическим линиям, то есть по линиям наименьшей длины. В поле тяготения, где пространство искривлено, геодезические линии будут не прямые, а кривые, замкнутые в эллипсис. Изменения гравитационного поля распределяется в вакууме со скоростью света.

Эйнштейн взял за основу пространство … , пространство постоянной положительной кривизны. Его наглядные образ – это поверхность сферы, где даже кратчайшие линии не являются прямыми.

Возникновение и развитие квантовой механики

Квантовая механика – физическая теория, которая устанавливает законы движения на микроуровне. Основатель – Макс Планк.

1900 – Макс Планк положил начало квантовой теории. На заседании Берлинского физического общества он высказал следующую неделю: энергия может поглощаться и излучаться лишь отдельными малыми и неделимыми порциями (квантами). Существует своего рода атомистическая структура энергии, управляемая постоянной Планка. Частицы, излучающие волны частоты, могут изменять свою энергию только порциями или скачкообразно. Постоянная Планка (h) = 6,6 * 10 в минус 34 джоулей. Е (порция излучаемой энергии, умноженная на ню и на аш) = ню * h.

1905 – Эйнштейн пишет работу по теории фотоэффектов, в которой подтверждает излучение энергии порциями. Таким образом, появилось представление о прерывистых физических величинах, которые могут измеряться только скачками.

В квантовой механике для таких явлений, как радиоактивный распад, дифракция (явление, когда свет или любая волна отклонится, обогнув препятствие) имеется только вероятность, что объект имеет то или иное свойство. Одни и те же частицы в одинаковых условиях могут вести себя совершенно по-разному. Законы квантовой механики носят статистический характер.

Гейзенберг делает следующий вывод: атомы и элементарные частицы реальны в несколько ином смысле, чем реальны предметы и вещи. Они образуют мир тенденций и возможностей.

1913 – Бор создает квантовую модель атома.

Постулаты Бора:

1. Каждый электрон в атоме может совершать устойчивое орбитальное движение по определенной орбите с определенным излучением энергии. Когда электрон стабильно движется вокруг ядра, он не излучает и не поглощает энергию. Всякое изменение энергии может происходить только в результате скачка из одного расстояния в другое.

2. Электрон способен переходить с одной орбиты на другую, при этом рождается квант света с энергией, равной разности энергии уровней, между которыми осуществляется переход. Важная особенность явления м…. состоит в том, что электрон ведет себя подобно частицам, когда движется в электрическом или магнитном поле и подобно волне, когда дифрагирует (отклоняется при столкновении с препятствия).

Это явление получило название «корпускулярно-волновой дуализм. Бор из этого формулирует принцип дополнительности.

1927 – Гейзенберг формулирует соотношение неопределенности. Это значит, что есть величины, которые друг другу дополнительны. В соответствии с соотношением неопределенности в квантовой механике не существует состояния, в котором и местоположение, и импульс частицы одновременно имели бы определенное значение. Только часть физических величин, относящихся к квантовой механике, могут иметь одновременно точные значения. Часть значений оказываются неопределенными, то есть существуют величины, которые дополнительны друг другу. Эти величины – это импульс и местоположение частицы, энергия системы и ее

взаимодействие с измерительным прибором.

Методологические установки неклассической физики

3. Характер причинной связи в микромире отличается от других уровней. На этом уровне причинность реализуется через многообразие случайностей, поэтому микропроцессам свойственны статистические закономерности.

4. Микроявления принципиально познаваемы. Основа познания – эксперимент.

5. Изменяется методология неклассической физики. Она учитывает взаимодействие между измерительным прибором и микрообъектом.

6. Если в классической физике все свойства могут проявляться одновременно, то в квантовой физике существуют принципиальные ограничения.

7. Объективность знаний не должна отождествляться с наглядностью.

8. Структура познания не является неизменной, существует многообразие способов познания.

Современная астрономическая картина мира

Возникновение неклассической астрономии

Во второй половине XX века изменяется способ астрономического познания. Определяется несколько каналов получения информации.

1 канал – электромагнитные волны.

2 канал – космические лучи. В космических лучах выделяют первичный состав и вторичный состав (частицы, вступившие в взаимодействие).

3 канал – нейтринная астрономия. Нейтрино – частица, которая плохо контактирует с веществом.

4 канал – гравитационные волны, которые возникают в результате грандиозных взрывов звезд.

В основе новой астрономической картины мира лежит образ нестационарной динамической развивающейся вселенной.

Особенности развития Солнечной системы

Солнечную систему составляет звезда Солнце с группой планет, вращающихся вокруг нее.

В Солнечную систему также входят спутники планет, астероиды, кометы, метеориты. Важную роль в Солнечной системе играет межпланетная среда, то есть те вещества и поля, которые заполняют пространство Солнечной системы. Основные компоненты: солнечный ветер (поток протонов и электронов, которые истекают с поверхности Солнца), звездный ветер, межпланетное магнитное поле, межпланетная пыль, нейтральный газ.

По физическим характеристикам планеты делятся на 2 группы. Это планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Планеты земной группы имеют твердую оболочку, планеты юпитерианской группы твердой оболочки не имеют, их поверхность скорее похожа на мантию. Строение планет слоистое, выделяются оболочки, различающиеся по плотности и химическому составу. Все планеты земного типа имеют твердую оболочку, в которых расположена вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами, Меркурий лишен атмосферы. Земля имеет жидкую оболочку из воды, это гидросфера, и биосферу. Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера. Характеристики твердых оболочек планет хорошо известны только для Земли. Данные о других планетах получены на основании моделирования и скорректированы относительно планеты Земля. В твердой оболочке планеты Земля выделяется:

- внутреннее твердое ядро (занимает примерно 1221 км),

- внешнее жидкое ядро (2250 км),

- мантия (2800 км).

Кора занимает от 10 до 100 км.

Радиус Земли равен 6371 км.

Ядро Земли состоит из железа, температура внутри Земли оценивается в 5000 градусов Кельвина (273 градуса Цельсия). Предполагается, что жидкое ядро есть у Меркурия и у Венеры, а у Марса оно отсутствует. В твердом теле Земли распространены следующие элементы:

- железо (34,6 %),

- кислород (29,5 %),

- кремний (12,5 %),

- магний (12,7 %).

Таким образом, планеты земной группы по своему составу отличаются от Солнца и от средней космической распространенности элемента.

Планеты-гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. В недрах Урана и Нептуна чуть больше тяжелых элементов.

Юпитер – самая большая планета Солнечной системы. Она содержит 2/3 планетарной массы.

Масса Юпитера = 1,9 * 10 в 27 степени кг. Масса в 318 раз превышает массу Земли. Объем больше в 1300 раз. Видимая поверхность Юпитера в 120 раз превосходит площадь Земли. Температура = -140 градусов Цельсия. Юпитер вращается гораздо быстрее Земли. Расплющен, полярный радиус = 4400 км, экваториальный = 71400 км. Магнитное поле Юпитера в 12 раз сильнее земного. Предполагают, что атмосфера Юпитера состоит из 3 или 4 слоев. Первый слой атмосферы Юпитера – густые облака аммиака. Их температура = -100 градусов Цельсия. Юпитер излучает энергию вдвое больше, чем получает. Юпитер хорошо аккумулирует тепло и излучает в пространство вдвое больше энергии, чем получает. Второй ярусо облаков = гидросульфат аммония. Температура = -10. Третий ярус облаков (+200 градусов) – кристаллы воды и пар.

Толщина атмосферного слоя = 1000 км.

На поверхности Юпитера наблюдаются темные и светлые зоны, параллельные экватору.

Также на Юпитере есть Большое Красное пятно. Это атмосферный вихрь эллиптической формы. Юпитерианский океан состоит из водорода и гелия. При достаточно высоком давлении водород превращается в жидкость. Это выглядит как непрерывное кипение всей поверхности Юпитера. По мере погружения в Юпитерианский океан увеличивается давление и температура. На расстояние 40000 км от центра Юпитера давление достигает 3000000 атмосфер, а температура – 11000 градусов Кельвина. Водород пере-одит в жидкое металлическое состояние. Во втором слое проходят магнитные электрические и конвекционные потоки, расчет которых сложен даже для современных компьютоероа. Они создают мощное магнитное поле планеты. В центре + 3000 градусов Кельвина.

Основные источники энергии в недрах планет – радиоактивный распад элементов и выделение гравитационной энергии при обэдинении и дифференциации вещества.

Поверхность планет и их спутников формируют эндогенные процессы (тектонические и вулканические) и экзогенные (падение метеоритов, астероидов, эрозия). Предполагается, что планеты возникли одновременно 460000000 назад. В этот период вокруг молодого Солнца образовалась газово-пылевая туманность. Вращалась вместе с Солнцем и все время сжималась. По некоторым данным, рядом с Солнцем произошел взрыв сверхновой звезды, который стимулировал процесс планетообразования и обеспечил содержание в планетарной системе тяжелых элементов.

Протопланетное облако было неустойчивым, со временем оно становилось все более плоским и начало фрагментироваться на газовые кольца. Затем кольца превратятся в газовые сгустки, то есть в протопланеты. Протопланеты сжимаются, твердые пылинки сближаются, сталкиваются и образуют тела больших размеров. За период 10 в n-ой степени, где n = от 5 до 8, образуются 8 больших планет. Происхождение систем регулярных спутников, то есть движущихся по направлению ващения планеты, объясняется повторением планетогенеза в малом масштабе. Происхождение иррегулярных спутников (движущихся против движения планеты) объясняется захватом.

С 1995 года было открыто более 100 планетарных систем за пределами Солнечной системы. Согласно последним наблюдениям, каждая терться звезда имеет свою планетарную систему.

Солнечная система – явление не исключительное, а повсеместное, но у нее существуют некоторые особенности. Большинство открытых планет относятся к планетам юпитерианской группы (состоят из водорода и гелия).