Все варианты модели Фридмана имеют общее: в какой-то момент времени в прошлом (десять-двадцать миллиардов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент (называемый Большим взрывом) плотность Вселенной и кривизна пространства времени должны были быть бесконечными. Поскольку математики не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Такая точка называется особой или сингулярной. В этой точке наши теории неверны из-за бесконечной плотности материи и бесконечной кривизны пространства-времени. Следовательно, если перед Большим взрывом и происходили какие-то события, по ним нельзя было спрогнозировать будущее. Следовательно, те события, которые происходили до Большого взрыва нужно исключить из модели и считать началом отсчета времени момент Большого взрыва.

    Итак, если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь сингулярную  точку, Большой взрыв. Но вот следует  ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно быть начало времени?  Ответ на этот вопрос был  получен в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой сжимается до нуля; то же самое происходит и с ее объемом. Возникает сингулярность в области пространства-времени, она называется черной дырой. Стивен Хокинг заметил, что если в теореме Пенроуза изменить направление времени на обратное, то эта теорема будет верна.

    В итоге Хокингу и Пенроузу в 1970 г. удалось доказать, что сингулярная точка Большого взрыва должна существовать. Однако, в последние годы, с развитием квантовой теории гравитации, было доказано, что эффект сингулярности может исчезнуть. Сейчас ведутся интенсивные работы в области квантовой гравитации, необходимые для соединения единой теории всего происходящего во Вселенной.

    Контрольные вопросы

 

1. 1-ый закон  Кеплера.
2. 2-ой закон Кеплера.
3. Закон Всемирного тяготения.
4. Как была открыта планета Нептун?
5. Опишите открытия Галилея в области естествознания.
6. Сформулируйте предположения, на которых основывается космологический принцип Фридмана.

 
 
 
 

    Лекция  № 5 

    Тема: Зарождение третьей  естественно-научной  революции

    (с.49-59 /1/, с. 73-78 /2/, с. 60-67 /3/, с. 21-25, 27, 29, 30 Ю) 

• Зарождение  науки об электричестве.
• Теория электромагнитного поля Максвелла.
• Элементы специальной теории относительности.
• Понятие общей теории относительности Эйнштейна.

 

    Рождение  науки об электричестве 

    … А сейчас отправимся в XIX век, в котором произошло завершение исторического этапа развития классической физики.

    Девятнадцатое столетие ознаменовалось огромными  успехами в исследовании природы  электричества и магнетизма. Первоначально  электрические явления – искры, молнии, свойства лейденских банок  накапливать заряд – считались  совершенно не связанными с явлениями магнетизма, наблюдаемыми в минералах некоторых видов, в поведении стрелки компаса и т.д. Однако датский физик Эрстед (1777 – 1851) и французский физик Ампер (1775 – 1836) продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым, Ампер по существу стал творцом новой науки – электродинамики.

    Ампер заметил, что магнитные явления  происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности Ампер впервые вводит понятие силы тока, поэтому неслучайно единица силы тока носит его имя – ампер. С помощью своего учения о круговых токах, он сводит магнетизм к электричеству! Это действительно великое открытие. Ампер формулирует до сих пор неизвестный закон о взаимодействии токов. Более того, он высказывает следующую мысль: «Все явления, которые представляют взаимодействие тока и магнита, открытые Эрстедом, входят как частный случай в законы притяжения электрических токов».

    Работа  Ампера над созданием электродинамики  продолжалась вплоть до 1826 г., когда  вышел в свет его обобщающий труд «Теория электродинамических явлений, выведенная из опытов». В этой работе Ампером была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов.  Это один из основополагающих законов электродинамики.

    Эстафета, принятая Ампером от Эрстеда, была передана в руки великого английского естествоиспытателя Майкла Фарадея (1791 – 1867). Он открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущего магнита.

    Исследуя  диэлектрики, Фарадей приходит к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях. Изучая характер магнитных явлений, Фарадей склоняется к мысли, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Он считает неверным, что эти явления представляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии, полагая, что пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль, как и сам магнит.

    Создание  теории электромагнитного  поля Максвеллом

 

    Открытия, сделанные Фарадеем в области  электромагнетизма, были развиты выдающимся английским математиком и физиком Максвеллом (1831 – 1879). В его теории электромагнетизма была установлена органическая связь электричества и магнетизма. Основываясь на идеях, высказанных ранее Фарадеем, Максвелл вводит понятие электромагнитного поля.

    Согласно  теории Максвелла, каждая заряженная частица  окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы  действует на другие заряженные частицы с некоторой силой. Такие взгляды на природу взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами. В теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой – напряженностью поля в этой точке.

    Максвелл  пришел к выводу о том, что должны существовать так называемые электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна быть равна скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн.

    Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны действительно были открыты  в 1888 г. Генрихом Герцем (1857 – 1894). Он сумел  осуществить передачу и прием электромагнитных волн очень большой длины – радиоволн. Сегодня мы имеем дело с целым набором электромагнитных волн, длина которых варьирует от значений очень маленьких, меньше, чем 1/1000000000000 м  до многих километров. Все вместе они составляют электромагнитный спектр. Это и гамма-, и рентгеновские лучи, ультрафиолетовые излучения, видимый свет, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение. Излучения всех этих видов распространяются в вакууме со скоростью света и имеет одну и ту же природу.

    Трудно  представить какую-либо волну без  среды, в которой она могла  бы распространяться. Звуковые волны  распространяются в различных материальных средах: воздухе, воде, твердом теле. Поверхностные волны движутся по поверхности воды. В какой же среде  распространяются электромагнитные волны?

    Максвелл  возродил старую идею существования  эфира, заполняющего пространство, который  и должен был служить носителем  электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, рассматривалась как абсолютный критерий состояния покоя и отождествлялась с абсолютным пространством.

    Специальная теория относительности  Эйнштейна

 

    В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879 – 1955), служащий Швейцарского патентного бюро в Берне опубликовал работу, посвященную специальной теории относительности, которая разрешила проблемы электродинамики и эксперимента Майкельсона и окончательно разрушила непрочные основы классических понятий пространства и времени. Эта теория основывалась на двух постулатах.

    Первый  постулат – принцип относительности: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов.

    Второй  постулат теории Эйнштейна – скорость света является постоянной во всех инерциальных системах отсчета.

    Первый  постулат означает, что равномерное и прямолинейное движение такой лабораторной системы никак не отражается на результатах проводимых в ней опытов, если она не ускоряется и не вращается. Принцип относительности устранил различия в проявлении законов механики и электродинамики при переходе в другие инерциальные системы отсчета и отбросил как ненужную идею о неподвижном эфире ньютоновского абсолютного пространства. Фундамент, на котором более двух столетий «покоилось» здание физики, был снесен одним ударом.

    Второй  постулат означает, что скорость света в вакууме  не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях и равна 300 тыс км/с. Казалось бы это противоречит здравому смыслу. Действительно, если космический корабль приближается к какому-либо источнику света со скоростью 100 тыс. км/с, и если свет от этого источника распространяется со скоростью 300 тыс км/с, то тут здравый смысл подсказывает нам, что относительная скорость космического корабля и света, измеренная экипажем, должна быть равна 400 тыс км/с. однако, специальная теория относительности утверждает, что в этом случае наблюдатель определит скорость приходящего к нему света по-прежнему равной 300 тыс км/с!

    В том же 1905 г. была опубликована небольшая  заметка Эйнштейна, где автор  находит связь между массой и энергией. «Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии», - заключает Эйнштейн. Так, в науке появилось знаменитое соотношение

    Е = mс²,

    где Е – полная энергия тела, m – его масса покоя, с – скорость света.

    Ключевой  момент специальной теории относительности состоит в том, что никакую информацию нельзя передать быстрее скорости света, иначе был бы нарушен фундаментальный закон причинности: причина всегда предшествует следствию. Во Вселенной тогда нарушилась бы логическая связь событий: они стали бы абсолютно случайными и непредсказуемыми. По-видимому, для нас совсем не плохо, что информация не распространяется быстрее света! Мы знаем, что окружающий нас мир имеет три измерения. Принимая точку зрения Ньютона, мы представляем себе время как независимо существующий, непрекращающийся, ровно текущий поток. Но специальная теория относительности утверждает, что время нельзя рассматривать как нечто отдельно взятое и неизменное. В 1907 г. немецкий математик Минковский (1864 – 1909) высказал предположение, что три пространственные и одна временная размерность тесно связаны между собой. Все события во Вселенной должны происходить в четырехмерном пространстве-времени.

    Эйнштейн  быстро оценил преимущество пространственно0временного описания для специальной теории относительности. С тех пор законы природы записываются в четырехмерном виде.

    Итак, наша Вселенная, по-видимому, четырехмерна. Пространство и время нельзя рассматривать  как независимые физические сущности – напротив, они самым тесным образом связаны между собой.

    Специальная теория относительности поистине произвела  революцию в нашем понимании  пространства, времени и Вселенной.

    Но  это была не единственная революция  в физике начала ХХ в. Примерно в  то же время в корне изменились представления о природе излучения  и вещества. Это было и время  становления квантовой теории или  квантовой физики. 

    Теория  гравитационного  поля Эйнштейна. Общая теория относительности 

    В 1916 г. Эйнштейн опубликовал свою общую  теорию относительности, совершив еще  один переворот в физических представлениях на сей раз о природе гравитационного  взаимодействия. «Фундамент» этой теории был «Заложен» в 1907 г., когда Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности.