Контрольная работа по "Концепция современного естествознания"

Т = (М/m) ^1/2 (2π/α) ² = 31556736 сек,

    где, Т - число секунд в земном году, М - масса протона, m - масса электрона, α - постоянная тонкой структуры. Путем деления и возведения в степень нескольких мировых констант получено случайное число - количество секунд в году, причем с 0,5% погрешностью - огромной по отношению к погрешности значений использованных мировых постоянных.  
    Язык математики удивительным образом соответствует физике, он оказывается предельно лаконичным и максимально строгим при описании физических явлений. Возникает иллюзия, что этот язык и есть физика. Отсюда появился соблазн математически верные "высказывания" трактовать, как  верные физически, то есть соответствующие проявлениям Природы.

    Так же известно, числа π и е входят во множество формул в математике, физике, химии, биологии, также в экономике. Значит, они отражают какие-то общие законы природы. Какие именно? Определения этих чисел через ряды, несмотря на их правильность и строгость, всё же оставляют чувство неудовлетворённости. Они абстрактны и не передают связи рассматриваемых чисел с окружающим миром посредством повседневного опыта. Между тем можно утверждать, что константа е непосредственно связана с однородностью пространства и времени, а π — с изотропностью пространства. Тем самым они отражают законы сохранения: число е — энергии и импульса (количества движения), а число π — вращательного момента (момента импульса). Обычно столь неожиданные утверждения вызывают удивление, хотя по существу, с точки зрения теоретической физики, в них нет ничего нового. Глубинный смысл этих мировых констант остаётся terra incognita для школьников, студентов и, по-видимому, даже для большинства преподавателей математики и общей физики, не говоря уже о других областях естествознания и экономики.

    Положение о связи законов сохранения с однородностью времени и пространства, бесспорно, правильно для евклидова пространства в классической физике и для псевдоевклидова пространства Минковского в Общей теории относительности (ОТО, где четвёртой координатой служит время). Но в рамках ОТО возникает естественный вопрос: а как обстоит дело в областях огромных гравитационных полей, вблизи сингулярностей, в частности, у чёрных дыр? Мнения физиков здесь расходятся: большинство считают, что указанные фундаментальные положения сохраняются и в этих экстремальных условиях. Однако есть и иные точки зрения авторитетных исследователей. И те и другие работают над созданием новой теории квантовой гравитации. Чтобы в двух словах представить себе, какие здесь возникают проблемы, процитируем слова физика-теоретика академика А.А. Логунова: „Оно отражает свойства, общие для всех форм материи. Это обеспечивает существование единых физических характеристик — энергии, импульса, момента количества движения, законов сохранения энергии, импульса. Но Эйнштейн утверждал, что такое возможно только при одном условии — в случае отсутствия гравитации. Из этого утверждения Эйнштейна следовало, что пространство-время становится не псевдоевклидовым, а гораздо более сложным по своей геометрии — римановым. Последнее уже отнюдь не однородно. Оно меняется от точки к точке. Появляется свойство кривизны пространства. В нём исчезает и точная формулировка законов сохранения, как они были приняты в классической физике. Если говорить строго, то в ОТО в принципе нельзя ввести законы сохранения энергии-импульса, их нельзя сформулировать"

В современной  теоретической физике инвариантность законов природы — прямое и  непосредственное следствие изотропности и однородности пространства и времени, то есть отсутствие выделенных направлений и мест. Понятие симметрии лежит в основе большинства современных фундаментальных теорий — от общей теории относительности до Стандартной модели в физике элементарных частиц. И хотя космологические открытия последних десятилетий ХХ века сильно подорвали господствовавшие в начале века представления о бесконечном и повсюду одинаковом космическом пространстве, существующем в неизменном (если брать достаточно большие расстояния) виде вечно, у Уэбба и Кинга образовалась весьма серьезная оппозиция. Например, Леннокс Коуи (Lennox Cowie) из Астрономического института на Гавайях (Institute for Astronomy in Hawaii) высказывается по поводу данных Уэбба и Кинга весьма категорично: «Гипотеза о пространственном непостоянстве постоянной тонкой структуры имеет далеко идущие последствия (is truly transformative). Это экстраординарная гипотеза. И как всякая экстраординарная гипотеза, она требует экстраординарных оснований. А их-то пока и нет». 
 
 
 
 

5.Черные  дыры. Гравитационный  коллапс. Гравитационный  радиус. Горизонт событий 

    Из  всех гипотетических объектов Вселенной, предсказываемых научными теориями, черные дыры производят самое жуткое впечатление. И, хотя предположения  об их существовании начали высказываться  почти за полтора столетия до публикации Эйнштейном общей теории относительности, убедительные свидетельства реальности их существования получены совсем недавно.

    Черная  дыра - область пространства, в которой  гравитационное притяжение настолько  сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся там тел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь. Границу области, за которую не выходит свет, называют "горизонтом событий", или просто "горизонтом" черной дыры.

    Сущность  гипотезы образования черных дыр  заключается в следующем: если некоторая  масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для нее, то под действием сил собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа -- гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация вещества. Наконец, наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и из замкнутого пространства черной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы материи. Излучение черной дыры оказывается "запертым" гравитацией. Черные дыры способны только поглощать излучение.

    Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его  темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.

    Скорость  убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих  представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности  явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.

    Но  уменьшение частоты равнозначно  замедлению времени, и, когда частота  становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний  наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с  нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному радиусу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица "нырнула" под сферу Шварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды - только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.

    Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса  силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временных координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда .

    Согласно  ньютоновской теории тяготения любое  тело в гравитационном поле звезды движется либо по разомкнутым кривым — гиперболе или параболе, —  либо по замкнутой кривой — эллипсу (в зависимости от того, велика или мала начальная скорость движения). У черней дыры на больших от нее расстояниях поле тяготения слабо, и здесь все явления с большой точностью описываются теорией Ньютона, то есть законы ньютоновской небесной механики здесь справедливы. Однако с приближением к черной дыре они нарушаются все больше и больше.

    Очень интересно рассмотреть простейшее периодическое движение тела в поле черной дыры по круговой орбите. По теории Ньютона, движение по кругу возможно на любом расстоянии от ТЦ. Из теории Эйнштейна следует, что это не так. Чем ближе к ТЦ, тем больше скорость движущегося по окружности тела. На окружности, удаленной на полтора гравитационных радиуса, скорость обращающегося тела достигает световой. На еще более близкой к черной дыре окружности движение его вообще невозможно, ибо для этого ему потребовалась бы скорость больше скорости света.

    Но, оказывается, в реальной ситуации движение по окружности вокруг черной дыры невозможно и на больших расстояниях, начиная с трех гравитационных радиусов, когда скорость движения составляет всего половину скорости света.

    Дело  в том, что на расстояниях меньше трех гравитационных радиусов движение по окружности неустойчиво. Малейшее возмущение, сколько угодно малый толчок заставят вращающееся тело уйти с орбиты и либо упасть в черную дыру, либо улететь в пространство (ничего похожего не предусматривает ньютоновская “Небесная механика”). Но, пожалуй, самое интересное и необычное в новой небесной механике — это возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из космоса.

    Если  ускоряющееся расширение Вселенной  будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий ,и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление продолжат существовать, в то время, как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи.

    Существование чёрных дыр, предсказанных в их современном  понимании общей теорией относительности, с большой долей вероятности  уже подтверждено наблюдениями. Если эта вероятность превратится в полную уверенность, то роль чёрных дыр как источников активности ядер галактик и квазаров позволит считать их важнейшим элементом мироздания. Не исключено, что ещё не открытые первичные чёрные дыры, если они действительно существуют, имеют куда большую значимость для космофизики, чем это кажется сегодня. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    6.Список  использованной литературы. 
 

    1. Горелов А.А. «Концепция современного естествознания» учебное пособие для студентов ВУЗов-М.;Гум.изд.центр ВЛАДОС, 2001г.-512с.

    2..Карпенков С.Х «Концепция современного естествознания» ГУП «Издательство высшая школа», Москва,2000г.

    3. Найдыш В.М. «Концепция современного естествознания», изд.2-ое- М.;Альфа ИНФАРМ,2005г.-622с.

    4.Салыгина  С.И. «Концепция современного  естествознания», под редакцией профессора, Ростов н/Дону «Феникс»,2001г-576с.

    5.Хорошавина С.Г. курс лекций «Концепция современного естествознания», Ростов на Дону «Феникс», 2000г-480с.

    6. Транковский С. «Наука и жизнь»  журнал №8,2000г.

    7. http://ru.wikipedia.org

    8. COSMOS.UCOZ.RU