Микро макро и мега миры

В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказа­лись разрушенными представления классической физики о ве­ществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

2. Микромир: концепции современной физики.

Атомистическая концепция строения материи.

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за еди­ницу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свой­ства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему хими­ческих элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном Превращении атомов одних элементов в атомы других элемен­тов. Изучение радиоактивности было продолжено французски­ми физиками супругами Пьером и Марией Кюри, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона - отрица­тельно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

Исходя из огромной, по сравнению с электроном, массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1902 г. первую модель атома —положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Эта Идея была развита Дж. Томсоном. Модель атома Дж. Томсона, над которой он работал почти 15 лет, не устояла перед опытной проверкой.

В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейгер, сотрудники Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. По мо­дели Дж. Томсона это объяснить не удавалось, но Э. Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая — до 150°. Э. Резер­форд пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятст­вие, это препятствие представляет собой ядро атома — положи­тельно заряженную микрочастицу, размер которой (10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10-8 см), но в ней почти полностью сосредоточена масса атома.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., на­поминала солнечную систему: в центре находится атомное яд­ро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрица­тельный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электриче­ский заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромаг­нитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излуче­ния электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показы­вает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказа­лась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характе­ристике атомных спектров.

Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, ос­нованную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных со­стояний (говоря языком планетарной модели, несколько ста­ционарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состоя­ния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находя­щиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становит­ся понятным, почему атомы химических элементов не испус­кают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответ­ствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание ато­ма водорода, состоящего из одного протона и одного электро­на, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на много­электронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимы­ми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспе­риментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были свя­заны с волновыми свойствами электрона. Длина волны движу­щегося в атоме электрона равна примерно 10-8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадле­жащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том слу­чае, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравне­нию с размерами системы. Другими словами, следует учиты­вать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимо­сти от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

Следовательно, точно описать структуру атома на основа­нии представления об орбитах точечных электронов принципи­ально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше.

Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного за­ряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связы­вающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н. Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило со­гласованность с экспериментальными данными.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это по­следнее усилие описать структуру атома на основе классиче­ской физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чу­жеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь час­тично. Ответы на эти вопросы были получены в результате раз­вития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макро­мире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

3. Мегамир: современные

астрофизические и космологические концепции.

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем — галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высо­кого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень ве­лики: радиус космологического горизонта составляет 15— 20 млрд. световых лет.

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» — очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему га­лактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания, находится на своеоб­разном стыке науки, религии и философии. В основе космо­логических моделей Вселенной лежат определенные мировоз­зренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.

3.1. Современные космологические модели Вселенной.

Как указывалось в предыдущей главе, в классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти та­кой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты3:

• Вселенная — это всесуществующая, «мир в целом». Кос­мология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не за­висят от материальных объектов и процессов»

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Из­меняться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, свя­занные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяго­тения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если сущест­вует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная космология, в границах которой было введено представление о расширяющейся и эво­люционирующей Вселенной.

Современные космологические модели Вселенной основы­ваются на общей теории относительности А. Эйнштейна, со­гласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свой­ства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселен­ной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изо­тропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсаль­ным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовалась со всеми известными фактами.

Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшие исследования, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том же 1917 году голландский астроном Виллем де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае “пустой” Вселенной появились массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космического отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1992г. русский математик и геофизик А.А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с “расширяющимся” пространством.

Решение уравнения А.А. Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал “расширение” пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.

Расширение Вселенной считается научно установленным фактом..

3.2. Проблема происхождения и эволюции Вселенной.

Как бы не решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Начиная с конца 40-х годов нашего века все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. Ученик А.А Фридмана Г. А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее “Космологией Большого взрыва”.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры”4

Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаи­модействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 1012 градусов по Кельвину, плотность 1014см3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается не­которое количество протонов, гиперонов, мезонов.

Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнит­ное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температу­ра 1010 градусов по Кельвину, плотность 104см3. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная до­ля массы — энергии Вселенной — приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 1010 3000 градусов по Кель­вину, плотность — с 104 г/см3 до 1021 г/см3. Главную роль игра­ет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой кос­мологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной на­чиная с момента 10-45 с после начала расширения.

Сторонники инфляционной модели видят соответствие ме­жду этапами космической эволюции и этапами творения мира, описанными в книге Бытия в Библии5.

В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10-50 см (для сравнения: размер атома определяется как 10-8 см, а размер атомного ядра 10-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10-45 с до 10-30 с.

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспо­ненциальному закону. В этот период создавалось само про­странство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10-34. Вселенная раздулась от невообра­зимо малых


10-09-2015, 23:39