- •Оглавление
- •Введение
- •1. Интерференция света
- •1.1. Электромагнитная волна на границе раздела сред
- •1.2. Интерференция света и условия её наблюдения. Когерентные источники света
- •1.2. Интерференция света в тонких пленках
- •2. Дифракция
- •2.1. Явление дифракции света. Условия ее наблюдения. Принцип Гюйгенса – Френеля
- •2.2. Метод зон Френеля. Прямолинейность распространения света
- •2.3. Дифракция на простейших преградах
- •Дифракция на круглом диске
- •Дифракция Фраунгофера
- •Дифракция на одной щели
- •Дифракция на дифракционной решетке
- •3. Поляризация
- •3.1. Естественный и поляризованный свет
- •3.2. Методы получения поляризованного света. Закон Брюстера
- •3.3. Анализ поляризованного света. Закон Малюса
- •3.4. Интерференция поляризованного света
- •3.5.Применение поляризованного света
- •4. Квантовые свойства света
- •4.1. Тепловое излучение и его характеристики
- •4.2. Законы теплового излучения
- •4.3. Оптическая пирометрия
- •4.4. Законы фотоэлектрического эффекта. Уравнение Эйнштейна
- •4.5. Практическое применение фотоэффекта
- •4.6. Фотоны. Масса и импульс фотона
- •4.7. Давление света
- •4.8. Эффект Комптона
- •4.9. Двойственная корпускулярно-волновая природа света
- •5. Атомная физика. Элементы квантовой физики
- •5.1. Модели атома. Спектры излучения атомов водорода
- •5.2. Постулаты Бора
- •Решая совместно уравнение второго закона Ньютона для электрона
- •5.3. Волновые свойства вещества. Гипотеза де Бройля. Принцип неопределенности
- •5.4. Волновая функция и уравнение Шредингера
- •Функция будет принимать то или иное значение в зависимости от внешних условий. Внешние условия – это силы, действующие на микрочастицу, представлены потенциальной функцией u ( X, y, z, t ).
- •5.5.Квантовомеханическое описание состояния электрона в атоме. Принцип Паули. Структура электронных оболочек атома
- •5.6.Вынужденное излучение. Лазеры
- •6.Атомное ядро. Элементарные частицы
- •6.1.Характеристики атомного ядра. Размер, состав и заряд атомного ядра
- •6.2. Дефект массы и энергия связи ядра
- •6.3. Ядерные силы
- •6.4. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада
- •6.5. Элементарные частицы
- •6.6. Элементы космологии
- •Литература
6.6. Элементы космологии
Космология – это учение о Вселенной. Предметом космологииявляется изучение истории Вселенной, ее строения и эволюции. Космология тесно связана с общей теорией относительности, так как во Вселенной приходится иметь дело с большими расстояниями, высокими скоростями и огромными массами. Основная трудность состоит в том, что в лаборатории нельзя провести детальный контролируемый космологический эксперимент — приходится изучать объекты, которые лежат на фантастических расстояниях от нас, и на которые мы никак не можем влиять. Выводы космологии основываются на законах физики, данных астрономии, философских принципах. Важнейшим философским постулатом является положение, согласно которому законы физики (природы) установленные (чаще всего) на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на всю Вселенную.
Эйнштейн показал, что общая теория относительности может объяснить существование статическойВселенной, т. е. Вселенной, которая не изменяется со временем (идея Аристотеля о вечной не изменяющейся Вселенной). В то время казалось, что Вселенная статическая, и этот результат получил всеобщее признание. Однако в 1923 г. советским ученым А. А. Фридманом была создана теория расширяющейся Вселенной, а в 1929 г Хаббл обнаружил, что в космосе «все разбегается», Вселенная расширяется. По современным представлениям галактики разбегаются со скоростями, пропорциональными расстояниям до них.
Предположение об образовании Вселенной в результате гигантского взрыва (теория большого взрыва) было впервые высказано Г. Гамовым в 1948 году. Согласно этой теории, примерно 1010лет назад (спустя всего одну сотую секунды после «начала»), все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025г/см3(в триллионы раз выше плотности воды) и температурой свыше 1016К. В этих условиях не могли существовать ни ядра, ни тем более атомы. Чудовищное радиационное давление внутри сгустка привело к его необычайно быстрому расширению — «большому взрыву». Через несколько минут расширение Вселенной и ее охлаждение достигли такой степени, что стало возможным образование ядер. Пространство было заполнено облаком из раскаленных газов и ослепляющим светом. Свет, излученный первоначальным газовым облаком, все еще «бродит» во Вселенной. Претерпев сильные изменения, он сейчас заметен в виде микроволнового фона – «реликтового излучения».
Все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после большого взрыва. Через миллиард лет началось образование галактик, звезд и стабильного вещества в современном виде. Звезды не рассеяны во вселенной равномерно, а сгруппированы в отдельные «острова» - галактики. Каждая галактика включает в себя в среднем более 100 млрд. Звезд, а также межзвездный газ и межзвездную пыль. Галактики обычно имеют форму спирали или эллипса. Диаметр их может достигать 105световых лет. Млечный путь представляет собой одну такую галактику, ту самую «Галактику», которая включает в себя (в качестве незначительной периферийной звезды) и наше Солнце.
В настоящее время Вселенная расширяется, но будет ли это расширение продолжаться бесконечно, так что в пределе плотность вещества во Вселенной станет бесконечно малой? Общая теория относительности дает определенный ответ на этот вопрос. Согласно этой теории, существует некоторая критическая масса Вселенной. Если действительная масса Вселенной меньше критической, гравитационного притяжения вещества во Вселенной будет недостаточно, чтобы остановить расширение, и оно будет продолжаться бесконечно. С другой стороны, если действительная масса Вселеннойпревосходиткритическую, гравитационное притяжение, в конечном счете, замедлит расширение, приостановит его и затем приведет к сжатию. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток. Все будет готово для нового большого взрыва и нового расширения. Таким образом, Вселенная должнапульсироватьмежду состояниями максимального расширения и коллапса.
Содержит ли Вселенная достаточную массу (в форме вещества и энергии) для того, чтобы стала возможной ее пульсация? Приблизительное количество вещества в звездах, галактических пыли и газе можно оценить различными способами. Можно оценить также энергию излучения звезд, магнитных полей в космическом пространстве, движения облаков газа, космических лучей и нейтрино. Все это, вместе взятое, оказывается меньше критической массы. В вычислениях существует, однако, большая неопределенность, поскольку мы не знаем количества вещества в межгалактическомпространстве.
Мы не знаем сколько-нибудь точно массу, или размеры Вселенной. Мы не знаем, будет ли наблюдаемое расширение Вселенной продолжаться бесконечно или, в конце концов, прекратится и сменится сжатием. Мы не знаем, существует ли во Вселенной в каких-либо значительных количествах антивещество. Существуют ли антигалактики? Мы не знаем природы квазаров, излучающих гигантскую энергию. Мы знаем слишком мало о деталях эволюции звезд. Мы очень мало знаем о происхождении Вселенной, хотя имеющиеся данные указывают на то, что ее расширение – это результат происшедшего около 10 миллиардов лет назад чудовищного взрыва, мощь которого невозможно себе представить. Но откуда взялось это гигантское количество изначальной энергии?
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
Из чего состоит атомное ядро?
Что такое нуклоны? Какие силы действуют между нуклонами?
Что такое «дефект массы»? Энергия связи?
Что такое естественная радиоактивность?
Какие величины входят в закон радиоактивного распада?
Что такое элементарные частицы?