Контрольная работа по "Концепции современного естествознания»

   Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. 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.

   Строение и эволюция  Вселенной изучается космологией.  Космология как раздел естествознания, находится на своеобразном стыке  науки, религии и философии. 

   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 А. Эйнштейна  имеет не одно, а множество  решении, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной.

Общий принцип относительности.

 Впервые принцип относительности  был сформулирован Галилеем для  механического движения. Механическое  движение относительно, и его  характер зависит от системы  отсчета. Та система, по отношению  к которой выполняется первый  закон Ньютона, называется инерциальной  системой отсчета. Это такая  система, которая либо покоится, либо движется прямолинейно и  равномерно относительно какой-то  другой неподвижной или движущейся  прямолинейно и с постоянной  скоростью системы. Первый закон  Ньютона утверждает существование  инерцианальных систем отсчета. Он гласит: тело остается в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью (без ускорения), если оно предоставлено самому себе, то есть если на него не действуют никакие внешние силы. Это означает, что

Если системы отсчета  движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы инерциальны.

Установлено что во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического  принципа относительности – принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, то есть инвариантны по отношению к преобразованию координат. Галилей обратил внимание на то, что ни какими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета,  нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы, не выглянув в окно, не можем определить, движется ли корабль.

Современная формулировка принципа относительности такова:

все инерциальные системы  отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении  протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета. 

Принцип относительности  помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в этой модели строения мира — этот вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы, потому что она определена естественнонаучным законом (см.Уравнения Максвелла). В силу принципа относительности скорость света в вакууме одинакова в любой системе отсчета. Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно

Принцип эквивалентности.

Вам, возможно, доводилось испытывать странные физические ощущения в скоростных лифтах: когда лифт трогается вверх (или тормозит при движении вниз), вас придавливает к полу, и вам  кажется, что вы на мгновение потяжелели; а в момент торможения при движении вверх (или старта при движении вниз) пол лифта буквально уходит у  вас из-под ног. Сами, возможно, того не сознавая, вы испытываете при этом на себе действие принципа эквивалентности инертной и гравитационной масс. Когда лифт трогается вверх, он движется с ускорением, которое приплюсовывается к ускорению свободного падения в неинерциальной (движущейся с ускорением) системе отсчета, связанной с лифтом, и ваш вес увеличивается. Однако, как только лифт набрал «крейсерскую скорость», он начинает двигаться равномерно, «прибавка» в весе исчезает, и ваш вес возвращается к привычному для вас значению. Таким образом, ускорение производит тот же эффект, что и гравитация.

   Теперь представьте,  что вы находитесь в открытом космосе вдали от любых сколько-нибудь значительных гравитационных полей, но при этом ваш корабль движется с ускорением 9,8 м/с². Если вы встанете на весы, то обнаружите, что вес вашего тела не отличается от веса вашего тела на Земле. Если вы возьмете шар и отпустите его, он, как и на Земле, упадет на пол, и, если измерить изменение скорости его падения в пути, окажется, что он падал равноускоренно всё с тем же ускорением 9,8 м/с², то есть динамика его падения ничем не отличается от земной. Принцип эквивалентности как раз и гласит, что, находясь в какой-либо замкнутой системе, вы не можете определить, вызвано ускорение свободно движущегося тела в ней гравитационным полем или же оно является собственным ускорением неинерциальной системы отсчета, в которой вы находитесь, иными словами, обусловлено действием силы инерции.

   Из принципа эквивалентности  следуют интересные предсказания  относительно поведения света  в гравитационном поле. Представьте,  что в момент ускоренного движения вверх при старте лифта вы послали световой импульс (например, при помощи лазерной указки) в направлении мишени на противоположной стене лифта. За то время, пока импульс света находится в пути, мишень вместе с лифтом ускорится, и световая вспышка на стене окажется ниже мишени. (Конечно же, в земных условиях вы этого отклонения не заметите, так что просто представьте, будто вы способны рассмотреть отклонение на тысячные доли микрона.) Теперь, возвращаясь к принципу эквивалентности гравитации и ускорения, можно сделать вывод, что аналогичный эффект отклонения светового луча должен наблюдаться не только в неинерциальной системе, но и в гравитационном поле. Для светового луча, согласно обобщенному принципу эквивалентности сил гравитации и инерции, введенному Эйнштейном в число постулатов общей теории относительности, отклонение светового луча звезды, проходящего по касательной к периметру Солнца, должно составлять около 1,75 угловых секунд (примерно одна двухтысячная градуса), в то время как в рамках классической механики Ньютона луч также должен отклоняться в силу того, что свет обладает массой, но на значительно меньший угол (около 0,9 угловых секунд). Таким образом, измерения, проведенные сэром Артуром Эддингтоном (Arthur Eddington, 1882–1944) во время полного солнечного затмения 1919 года и выявившие отклонение луча на угол 1,6 угловых секунд, стали триумфальным экспериментальным подтверждением общей теории относительности.

   Следуя аналогичным  рассуждениям, нетрудно увидеть,  что принцип эквивалентности  предсказывает, что в спектре светового луча, направленного в сторону уменьшения интенсивности гравитационного поля (в земных условиях — вверх), должно наблюдаться красное смещение, и это предсказание также получило свое экспериментальное подтверждение.

   Принцип эквивалентности — лишь один из постулатов общей теории относительности. Он ограничивается рассмотрением эффектов гравитации и равноускоренного движения, однако каждое подтверждение принципа эквивалентности является одновременно и подтверждением общей теории.

      Повседневный опыт показывает, что  тела действуют друг на друга,  порождая всевозможные изменения  движения. Взаимодействие тел в  макромире происходит под действием  силы тяготения или электромагнитных  сил. Сила - физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения, то есть перемещения относительно друг друга.

   Источником  силы в соответствии с законом  всемирного тяготения является  масса тела.

   Масса  выступает не только как мера  гравитационного взаимодействия, но  и как мера инертности тел,  то есть способности тел сопротивляться  воздействию сил, стремящихся  изменить состояние их движения, изменить их скорость. В этой  связи говорят о массе тяжелой  как мере гравитационного взаимодействия  и о массе инертной как о  мере инертности. Согласно закону Ньютона о противодействующих силах такое утверждение означает, что сила тяготения  должна быть прямо пропорциональной не только массе притягиваемого тела m₁, но и массе притягивающего тела m₂, то есть произведению масс обоих взаимодействующих тел. Если взаимодействующие тела принять за материальные точки, расположенные на расстоянии R друг от друга, то для силы гравитационного взаимодействия F можно написать:

                                    ,

где  G – гравитационная постоянная.

   Данной  формулой определяется закон  всемирного тяготения, сформулированный  Ньютоном.

   Относительно  точные измерения показывают, что  массы тяжелая и инертная равны  между собой.  Этот факт, никак не объясняемый классической механикой, фигурирует в общей теории относительности, в которой понятие силы оказывается лишним – в поле тяготения тела движутся как бы «сами по себе» по кратчайшим путям – геодезическим линиям (кривая определённого типа, обобщение понятия «прямая» в искривлённых пространствах. Конкретное определение геодезической зависит от типа пространства. Например, на двумерной поверхности, вложенной в евклидово трёхмерное пространство, геодезические линии — это линии, достаточно малые дуги которых являются на этой поверхности кратчайшими путями между их концами. На плоскости это будут прямые, на круговом цилиндре — винтовые линии, на сфере — большие круги.) – в искривленном пространстве-времени. При этом поле тяготения и есть по существу искривленное физическое пространство, создаваемое массами вещества.

   В физике  пространство рассматривается в  общем виде как изменения состояний  физической системы, и для описания  состояний вводится набор   измеряемых параметров, к которым  относятся пространственно –  временные координаты, или точки  пространственно- временного континуума, означающего непрерывное множество.  Так же используются и другие  параметры состояний систем: импульс,  энергия, температура, спин и  т.п. 

   В строгом  определении время выражает порядок  смены физических состояний и  является объективной характеристикой  любого физического процесса  или явления; оно универсально.

   Ньютон  различал абсолютное и относительное  время. В своих фундаментальных  «Математических началах натуральной  философии» он писал:

   «Абсолютное,  истинное математическое время  само по себе и по своей  сущности, без всякого отношения  к чему либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

   Относительное, кажущиеся или обыденное время есть или точная, или изменчивая постигаемая чувствами внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности,  употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени.

   Течение  абсолютного времени изменятся,  не может.  Длительность или  продолжительность существования  вещей  одна и та же, быстры  ли движения (по которым измеряется  время), медленны ли или их вообще нет. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего сущего».

    Аналогичные  пространства Ньютон высказывал  и в отношении пространства.

   Течение  времени зависит от скорости  движения системы отсчета. При  достаточно большой скорости, близкой  к скорости света, время замедляется,  т.е. возникает релятивитское замедление времени. Поле тяготение приводит к гравитационному замедлению  времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи.  Оно течет с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.

   Важная  особенность времени выражается  в постулате времени: одинаковые  во всех отношениях явления  происходят за одинаковое время.

   Пространство  выражает порядок существования  физических тел. 

   По аналогии  с абсолютным временем Ньютон  ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно  пустым, существуя не зависимо от наличия в нем физических тел, и является как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы.