Общая теория относительности в корне изменила наши представления о пространстве, времени, о Вселенной. Она привела к отказу от какого бы то ни было центризма.
Литагалактика - или вся наша наблюдаемая астрологическая Вселенная как единое целое – стала описываться однородной и изотропной безграничной релитивистской космологической моделью.
13. В чем сщнось Третьей глобальной естественно-научной революции ?
Третья глобальная естественно-научная революция радикально преобразовала научную картину мира, изменив астрономию, космологию и физику и означала полный отказ от всякого центризма.
14. Какова главная особенность космологической модели Вселенной Фридмана ?
Существуют три разные модели Фридмана, для которых выполняется космологический принцип. 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 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 синигумерной. 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.
15. Чем объясняется темный фон ночного неба ?
Вселенная не может представить собой константное распределение звезд, бесконечных по возрасту и размерам. Действительно, если бы это было не так, то каждый взгляд наблюдателя встречал бы звезду, но небо-то темное. Объяснение этого факта лежит в космологической модели расширяющейся Вселенной. Чем с большей скоростью она удаляется от нас, и тем больше красное смещение излучения источника от ее спектра. А красное смещение линий от ее спектра. А красное смещение излучения источника ослабляет его интенсивность. На определенном расстоянии красное смещение становится так велико, что мы уже не видим света источника. Согласно закону Хаббла (закон разбегания галактик) определенную границу имеет по крайней мере наблюдаемая часть Вселенной, т.е. красное смещение порождает космологический «горизонт», за который наш взгляд проникнуть уже не может. Так как след от объективов, лежащих за космологическим горизонтом, не доходит до нас, то нет никаких проблем и с темнотой ночного неба.
16. Что такое космологический принцип ?
Фридман сделал два очень простых предложения 6 во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее не наблюдали (изотропность Вселенной), и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места (однородность Вселенной). Эти два предположения составляют так называемый космологический принцип.
17. Делимы ли протоны и нейтроны ?
Эксперименты по взаимодействию показали, что протоны состоят из еще более мелких частиц. Их назвали кварками. Итак, протоны и нейтроны не являются неделимыми.
18. Что такое спин частицы и какими физическими свойствами частицы он определяется ?
Спин – вращательная характеристика частицы. Представим себе частицы в виде маленьких волчков, вращающихся вокруг своей оси. Однако в квантовой механики частицы не имеют вполне определенной оси вращения. Спин – частицы дают нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон. Например, частица со спином О похожа на точку, т. кора выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелкой : с разных сторон она выглядит по-разному и принимает прежний вид лишь после оборота на 360градусов. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелкой заточенной с общих сторон : любое ее положение повторится с полуоборота (180 градусов). Частицы с более высоким спином возвращаются в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота.
S=0 S=1 S=2
Существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежнего вида : их нужно дважды полностью повернуть ! Такие частицы называются спин ½.
19. Какой спин имеет частицы, составляющие вещество Вселенной ?
Все известные частицы можно разделить на две группы : 1) частицы со спином ½ , из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, легкие частицы и тяжелые частицы – гипероны) ; 2) частицы со спином 0,1 и 2, которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и частицы под общим названием мезоны).
20. В чем отличие электромагнитных сил от гравитационных ?
Гравитационная сила. Эти силы носят гравитационный характер. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы. Это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не ее два специфических свойства : гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.
В квантово – механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоит Земля и Солнце обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь вертикальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, т.к. этот эффект – вращение Земли вокруг Солнца. Реальные гравитоны распространяются в виде воли, но они очень слабые и их трудно зарегистрировать, это пока никому не удалось.
Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как гравитоны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных : электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 10^40 больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются.
21.Частицы с каким спином ответственны за взаимодействие?
В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0,1,2. Это происходит следующим образом. Частица вещества, например, электрон или кварк, испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия (например, фотон).
22. Что такое конфайнмент в кварковой теории ?
Сильное ядерное взаимодействие представляет собой взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство – оно обладает конфайнментом. Конфайнмент (ограничение, удержание) состоит в том, что частица всегда удерживается в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что тогда он должен иметь цвет (красный, зеленый, синий). Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон.
23. Зачем нужна единая теория Вселенной ?
Единая теория, охватывающая все взаимодействия «проливает свет» и на само наше существование. Не исключено, что наше существование есть следствие образования протонов. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной. Земное вещество в основном состоит из протонов, но в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов. Эксперименты с космическими лучами подтверждают, что то же самое справедливо и для всего вещества в нашей Галактике.
Но теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие.
Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, это означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией.
Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.
24. В чем выражается сущность четвертой глобальной естественно-научной революцией ?
Четвертая глобальная естественно-научная революция предопределяется необходимым, но окончательно еще никем не осуществляемым синтезом, доминирующим в макромасштабах общей теории относительности Эйнштейна с выступающими на передний план в микромасштабах квантовыми представлениями о строении материи в единую физическую теорию, объединяющую все четыре фундаментальных взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.
25. Какая наука из естественных наук является одновременно и научной и производством ?