КСЕ 12 / Литература КСЕ / Горбатова / Горбатова / ксе / Лекции №2 (4)

Поле – это особая форма материи. Примерами могут служить: электромагнитные, гравитационные поля, а так же волновые (квантовые) поля и поля ядерных сил. Согласно концепции, поля, участвующие во взаимодействии частицы, создают в каждой точки окружающего их пространства особое состояние – поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие частицы, помещаемые в какую-либо точку пространства. Первоначально выдвигалась механистическая интерпретация поля как упругих натяжений гипотетической среды – эфира. Теория относительности отвергла эфир. Согласно теории относительности, скорость распространения любого взаимодействия не может превышать скорости света в вакууме. Поэтому в системе взаимодействующих частиц сила, действующая в данный момент на какую-либо частицу системы, не определяется расположением других частиц в этот же момент времени, т.е. изменение положения одной частицы сказывается на другой частице не сразу, а через определенный промежуток времени. Т.о., взаимодействие частиц, относительная скорость которых сравнима со скоростью света, можно описать только через создаваемые ими поля (В настоящее время большинство физиков считают, что при очень высоких энергиях все виды фундаментальных взаимодействий объединяются в единое взаимодействие). Гравитационное взаимодействие описывается ОТО. Эта теория описывает гравитационное взаимодействие как воздействие материи на свойства пространства-времени; в свою очередь, эти свойства пространства-времени влияют на движение тел и другие физические процессы. Т.о. гравитационное взаимодействие резко отличается от других видов взаимодействия – электромагнитного, сильного и слабого. Самой важной особенностью гравитационного поля является то, что оно действует на разные тела, сообщая им одинаковые ускорения независимо от массы, химического состава и других свойств тела. В отсутствии гравитации в пространстве-времени СТО движение тела изображается прямой линией, или экстремальной (геодезической) линией. В гравитационном поле все тела движутся по геодезическим линиям в пространстве-времени, которое, однако, искривлено, и, следовательно геодезические линии – не прямые. Наблюдатель воспринимает это движение как движение по искривленным траекториям в трехмерном пространстве-времени с переменной скоростью. В заданном гравитационном поле все тела независимо от их массы и состава при одинаковых начальных условиях будут двигаться совершенно одинаково (по одним и тем же геодезическим линиям). Поэтому изменение скорости любых тел, т.е. их ускорение, в данном гравитационном поле одинаково. Это означает строгую пропорциональность гравитационной и инертной масс. Кривизна пространства-времени создается источниками гравитационного поля. При этом гравитация, т.е. изменение пространства-времени, определяется не только массой вещества, слагающего тело, но и всеми видами энергии, присутствующими в системе. Эта идея является обобщением на случай теории гравитации принципа эквивалентности массы и энергии СТО E=mc². Согласно этой идее, гравитация зависит не только от распределения массв пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от эл.-маг. поля и от всех других физических полей. Идея искривленного пространства-времени.Все тела независимо от их массы падают с одинаковым ускорением -- это было известно со времен Галилея. Но именно этот факт стал определяющим для Эйнштейна при создании общей теории относительности (ОТО). Закон тяготения Ньютона очень похож на закон Кулона. Однако в закон Ньютона в качестве гравитационного заряда входит величина, пропорциональная инертной массе. Почему же тяготения связано с инертной массой? С точки зрения ньютоновской теории это некоторая случайность. Однако именно от этого оттолкнулся Эйнштейн, когда ему пришла в голову идея искривленного пространства. В плоском четырехмерном пространстве (x,y,z,t) движению по прямой соответствует равномерное прямолинейное движение. В плоском пространстве прямая -- это кратчайшее расстояние между двумя точками, т. е. экстремаль. Идея Эйнштейна заключается в том, что и в поле тяготения все тела движутся по экстремальным (геодезическим) линиям в пространстве-времени, которое, однако, уже не плоское, а искривленное. Пространство-время искривляют массы, создающие поле тяжести. Если пространство искривлено, и все тела движутся по геодезическим, то это означает, что тела разной природы будут двигаются по одинаковым траекториям, т. е. естественно объясняется независимость ускорения свободного падения от природы тела.

7.Вселенная эволюционирует, и эта эволюция, сравнительно медленная сейчас, на ранних этапах была невообразимо быстрой, так что серьезные качественные изменения состояния Вселенной происходили за доли секунды. По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад из некоторого начального "сингулярного" состояния с бесконечно большими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно этой теории Большого Взрыва, дальнейшая эволюция зависит от измеримого экспериментально параметра - средней плотности вещества в современной Вселенной. Если меньше некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно; если же >, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины еще недостаточно надежны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной. Однако теория Большого взрыва не может пока описать эволюцию Вселенной в первые сотые доли секунды от «начала мира». Основными экспериментальными основаниями данной теории являются следующие три:

1.Наблюдаемое "разбегание" далеких галактик, подчиняющееся закону Хаббла. 2. Открытие в 1964 году Р. Пензиасом и А. Вильсоном космического фона "реликтового излучения", по интенсивности и спектральному составу эквивалентного излучению черного тела с температурой около 3 K (градусы Кельвина). 3. Наблюдаемый химический состав Вселенной, состоящей приблизительно из 3/4 (по массе) водорода и 1/4 гелия с небольшой (порядка одного процента) примесью прочих элементов. По данным современной наблюдательной астрономии звезды во Вселенной группируются в галактики, которые, в свою очередь, также образуют скопления. Представление о порядках величин дают следующие цифры: наша Галактика содержит ~ 10¹¹ звезд и имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной ~ 30 тысяч световых лет. Ближайшая к нам галактика M31 в созвездии Андромеды удалена от нас на расстояние порядка 2 миллионов световых лет. Мы находимся на периферии гигантского скопления более тысячи галактик с центром в направлении созвездия Девы, удаленным на расстояние ~ 60 миллионов световых лет. Возможности современной техники позволяют наблюдать достаточно яркие галактики вплоть до расстояний порядка 10 миллиардов световых лет. Данные наблюдений показывают, что в крупных масштабах Вселенная однородна и изотропна. Грубо говоря, это означает, что в любой сфере с фиксированным достаточно большим диаметром (достаточным считается число ~ 300 миллионов световых лет) содержится приблизительно одинаковое число галактик. Утверждение об однородности и изотропности Вселенной в больших масштабах принято называть Космологическим Принципом. С помощью эффекта Доплера доказывается то, что наша Вселенная постоянно расширяется. В наблюдаемых спектрах звезд и галактик хорошо различимы спектральные линии поглощения (хромосферами звезд) известных элементов. Это позволяет довольно точно измерять с помощью скорость, с которой данный излучающий объект удаляется (если спектр смещается в красную сторону) или приближается (если спектр смещается в голубую сторону) по отношению к земному наблюдателю. Если бы окружающие нас галактики двигались хаотически, то красные и голубые смещения в их спектрах наблюдались бы с одинаковой вероятностью. Но эксперимент показывает другое: красные смещения преобладают и тем больше, чем дальше от нас находятся изучаемые объекты. Количественным итогом этих наблюдений является сформулированный в 1929 году Хабблом "закон разбегания", согласно которому все галактики (в среднем) удаляются от нас и скорость этого разбегания приблизительно пропорциональна расстоянию до рассматриваемой галактики.

Из закона разбегания, разумеется, не следует, что наша галактика является центром мира, а все прочие удаляются от нее. Согласно Космологическому Принципу наша галактика ничем не выделена, так что точно такую же картину разбегания должен видеть наблюдатель из любой другой галактики. Это значит, что "все разбегаются от всех". Наглядной моделью такого разбегания может послужить надуваемый резиновый шарик с нанесенными хаотически на его поверхность точками - "галактиками": при надувании все эти точки будут удаляться друг от друга в точном соответствии с законом Хаббла. Это модель "двумерного замкнутого мира". Аналогичный "открытый мир" можно представить в виде резиновой плоскости с нанесенными точками, равномерно растягивающейся во всех направлениях.

Из пропорциональности и в законе вытекает фундаментальный вывод относительно существования "начала мира": где-то в прошлом был момент, в который любая из наблюдаемых сейчас галактик была бесконечно близка к нашей, следовательно, "любая к любой" в силу Космологического Принципа. Из-за такого сближения плотность вещества во Вселенной в "начальный момент" становится бесконечной. Но это не означает, что все оно было собрано в одном месте, так как тот же Космологический Принцип требует, чтобы плотность становилась бесконечной в любой точке пространства. Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе. Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса R_g = 2GM / c², где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии черных дыр во Вселенной. В рамках общей теории относительности впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной (теория Большого Взрыва). Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией.

18. Биотический круговорот

18.Биотический круговорот веществ - постоянная циркуляция веществ между почвой, растительным и животным миром и микроорганизмами. Большой круг биотического обмена (Биосферный круг биотического обмена) – безостановочный планетарный процесс закономерного циклического, неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии и информации, постоянно входящих и непрерывно обновляющих экосистемы биосферы.Малый круг биотического обмена (Биогеоценотический круг биотического обмена; Биотический круговорот) – многократное безостановочное, циклическое, но неравномерное во времени и незамкнутое обращение части веществ, энергии и информации, входящих в большой круг биотического обмена в пределах элементарной экологической системы (биогеоценоза). Круговорот веществ – многократно повторяющийся процесс совместного, взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее цикличный характер. Общий круговорот веществ характерен для всех геосфер и складывается из отдельных процессов круговорота химических элементов, воды, газов и других веществ. Процессы круговорота не полностью обратимы из-за рассеивания веществ, изменения его состава, местной концентрации и деконцентрации. Биогеохимический круговорот веществ - повторяющиеся циклические превращения и перемещения химических элементов через косную и органическую природу при активном участии живых организмов. Биологический круговорот веществ - единство двух процессов: - аккумуляции элементов в живых организмах; и - минерализации в результате разложения мертвых организмов. Образование живого вещества преобладает на поверхности суши и в верхних слоях морей. Минерализация живого вещества преобладает в почве и глубинах морей.