КСЕ, лекция 1, часть 1

Профессор Андрей Анатольевич Гриб

№1. Некоторые общие замечания о развитии естествознания

Естествознание состоит из Физики, Химии, Биологии и Экологии.

Редукционизм- точка зрения, в которой в основе естествознания лежит физика.

Если редукционизм прав, то зная законы физики, можно было бы объяснить всю химию, биологию и социальную науку.

Теория всего - ТОЕ (Theory of Everything). Будет построена Единая Теория вещества, на сновании которой мы объясним всё остальное.

Противники редукционизма считают, что существуют особые концепции той же биологии(жизнь, сознание), которые не входят в физику и в ТОЕ. Противники считают, что концепции физики требуют введения представлений из других наук.

20 век - век интенсивного развития естествознания, были открыты мир квантовой физики и мир теории относительности. Макромиры и мегамиры изучаются.

Безудержное её развитие приводит к противоречию к требованиям общества. Возникают следующие ограничения:

1. Экономическое ограничение: Исследования требуют очень больших затрат, много миллиардов долларов. В Америке пришлось отказаться от создания Суперколлайдера (ускорителя элементарных частиц).

2. Непредсказуемость результатов: Изучая мегамир и макромир, человечество сталкивается с явлениями, с которыми оно никогда не сталкивалось раньше. А это приводит к увеличению опасности экспериментирования в этих областях.

Во время создания атомной бомбы в США, руководители опасались, что при взрыве атомной бомбы может начаться ядерная реакция, охватывающая весь земной шар. Аналогично было при создании водородной бомбы.

КСЕ, лекция 1, часть 2

Хигговский бозон.

3. Экологическое ограничение. Развитие естествознания не должно противоречить жизни на земле. Требования военного комплекса.

США и Россия накопила столько бомб, что можно уничтожить всю жизнь на земле. Испытания некоторых орудий опасно для жизни. Радиоактивные элементы приводят к заболеванию людей. Чернобыльская катастрофа - предупреждение. Работы по созданию бактериального оружия, работы по клонированию.

№2. История возникновения Естествознания в древней Греции.

Представление греческой науки возникло на основе знаний из Месопотамии, Египта и Индии.

Пифагор(550 г. д.н.э.): "Мир управляется числами". Законы мира - законы математики. Существуют числа, управляющие миром. Если их изменить, то и мир станет другим. "Учение о богах или числах" - Прокол.

Фундаментальные константы:

В Греции возникла идея доказательства теорем, а не просто их открытия. Там же возникла первая демократическая республика Афин, основанная на доказательстве и обосновании тех или иных поступков правителя.

КСЕ, лекция 2, часть 1

Платон- греческий философ. Жил в Афинах, где в то время была республика. Платон продолжил идею Пифагора о том, что в основе мира лежит математика, истинную сущность мира можно описать на языке математики.

В отличие от Пифагора, Платон говорил, что в основе мира лежит геометрия и законы симметрии. Платон учил о том, что видимый мир не является истинным миром, истинный мир - невидимый, наш мир - вторичен, и порождён невидимым миром. Свой взгляд Платон описал в сочинении "республика", где он изложил так называемую аллегорию пещеры. Все люди как бы находятся внутри большой пещеры, в этой пещере есть вход, откуда попадают внутрь солнечные лучи, но люди смотрят на стену пещеры, противоположную входу. На стене этой пещеры люди видят тени, двигающиеся вне пещеры. Мир теней люди называют видимым миром. Внешний мир - мир идей. Реальный мир - мир вечности. Наш мир - мир во времени. Изменение во времени - свойство теней. Суждения математики касаются вечного мира, они не меняются со временем. Философия Платона являлась развитием греческого язычества (идея о том, что миром управляют невидимые бессмертные боги). Платон же сменил богов на математические законы, идеи. Владимир Соловьёв, его последователь, в 19 веке писал:

Милый друг, ведь ты не видишь, что всё видимое нами,

Только отблеск, только тени от незримого очами.

Милый друг, иль ты не слышишь, что житейский шум трескучий

Только отзвук отдалённый торжествующих созвучий.

В современном естествознании подтверждается: видимый нами макромир вторичен по сравнению с видимым нами макромиром. Квантовая физика говорит, что свойство видимого макромира следуют из свойств невидимого макромира. Молекулярная биология сегодня говорит нам, что поведение и жизнь живых существ в значительной степени есть следствие совйств невидимых биологических молекул - генов. Ричард Доккинс - Эгоистичный ген. Жизнь животных, а также жизнь людей есть следствие игры генов. Платон жил в Афинах в 4 веке до нашей эры. Тогда появились великие писатели в Элладе - Софокл, Ивритид, Аристофан. Они писали трагедии и комедии. Они ставились в первых театрах. Ставился вопрос - что такое человек, что он делает сам, а что только потому, что так предначертано.

Ученик Платона – Аристотель(384-322). В отличие от Платона, Аристотель имел отношения к политическим деятелем - он был воспитателем сына Александра Македонского. Аристотель суммировал все знания древнего мира. В александрийской библиотеке находилось 147 томов сочинений Аристотеля. Один из этих томов - Физика. Аристотель сформулировал законы логики, сформулировал закон причинности. Полностью отказался от взглядов своего учителя Платона, отказался от аллегории пещер. Закон причинности - Все видимые изменения в видимом мире нежно объяснять какими-то изменениями в видимом же мире. Аристотель говорил, что в мире кроме причинности действует ещё и случайность, в этом случае причину в видимом мире причину найти нельзя.

ДемокритиЛевкипп- философы атомисты. Они говорили о том, что все тела от природы состоят из невидимых атомов. Эти атомы образуют разного рода комбинации, и разные комбинации атомов есть разные типы вещества. Весь мир - игра атомов. (Ричард Фейман - Я бы написал, что весь мир состоит из атомов). Боги - название для случайности. Демокрит и Левипп считали, что время замкнуто. Так как весь мир - комбинация атомов, то их комбинации будут повторяться, а значит, и события тоже будут повторяться. Время - это круг. Аристотель в сочинении Политика критикует эту точку зрения. Аристотель говорил о циклическом времени - некоторые события повторяются, некоторые нет, и являются новыми. Немецкий философ Ницше возродил эту идею, и назвал её Идеей вечного возвращения, написав о ней в книге “Так говорил Заратустра”. Эта идея возникал ещё в Месопотамии, шумеры, до древних греков, высказали идею о том, что время движется потому, что в мире существуют идеальные часы, а именно движущиеся планеты, а именно Луна и Солнце. Остановись планеты - и время остановится. Отсюда возникла Астрология - учение о том, что движение планет определяют события в жизни людей.

КСЕ, лекция 2, часть 2

Аристарх Самосскийговорил, что земля вращается вокруг Солнца, являлся первым создателем геоцентрической системы мира. (Вторым был Коперник) Аристарх был учителем Архимеда (287-212).

Архимеджил в городе Сиракузы. Объединил принципы математики и причинности Аристотеля, чтобы объяснять окружающий мир. На тело, погруженное в жидкость, действует сила, равная весу вытесненной им жидкости. Архимед определил полное число частиц во вселенной в работе Псаммит - 10 в 63 степени (сейчас известно, что вселенная состоит из частиц, меньше протонов в 100 раз, а протонов во вселенной - 10 в 80 степени, то есть Архимед оказался прав).

Гиппарх(160-125г д. н. э.) - Работал в Александрии - египетском городе. Гиппарх определил расстояние от земли до луны и от земли до солнца. Расстояние от Земли до Луны в 60 раз больше радиуса Земли, расстояние от Земли до Солнца в 20 раз больше расстояния от Земли до Луны.

КСЕ, лекция 3, часть 1

Эмпедокл- жил в Сицилии. Говорил, что всё вещество бывает в четырёх состояниях: состоянии земли, воды, воздуха и огня. Пытался понять происхождение животных и растений, организовал музей растений и животных, держал там гербарии и чучела животных из стран, завоеванных Александром Македонским. Он считал, что животные были не такими, как сейчас. Эмпедокл считается прародителем Дарвинизма. В прежние времена, считал он, суставы животных были соединены по-другому. Некоторые концепции Биологии так же были высказаны древними греками. Но почему же греки не создали техническую цивилизацию. Это связано с особой ролью науки - она рассматривалась как средство созерцания, или особая религиозная практика.

ЭвклидиПтолемейжили и работали в Александрии. Евклид был создателем Евклидовой геометрии. Птолемей предложил математический метод расчета нахождения планет на небе. Птолемей был сторонником геоцентрической системы, при расчетах использовал крайне сложную математику.

ИНДИЯ

Основные тексты в Индии были написаны на Санскрите. Три религии - буддизм, джайнизм, индуизм. Создатель учения - Махавира. Будда, принц Шакья Мунди - прародитель буддизма. В основе мира лежат атомы - не вещества, а атомы судьбы. Поэтому нельзя никому причинять страдания, так как тот, кто причинил страдание, сам испытает страдание. Недавно был найден текст - Вьяхопаннатии.

Шёл спор между двумя школами - Шветамбары и Дигамбары. Дигамбары считали, что размер мира равен 343 раджу, другие считали что 238 раджу.

Раджу - расстояние, которое преодолевают боги за 6 месяцев, так что они пролетают 2057152 проман за самаю. (Радиус вселенной - 10 в 28 сантиметров.)

1 промано - 500 йоджин.

1 йоджин - 4000 км.

1 раджа >>2 * 10¹⁸км.

КСЕ, лекция 3, часть 2

1 мегафоран = 3 * 10¹⁸км.

1 утсамужня = 10^-11степени.

8¹²этих единиц - величина мизинца.

1 фермии (размер протона) = 10^-13см.

Законы мегамира и законы микромира отличаются от законов макромира. Мегамир описывается особой наукой - теорией относительностью Эйнштейна. Макромир описывается классической физикой. Вселенная на больших расстояниях представляет собой большой взрыв. Микромир представляет собой движущиеся с очень большой скоростью частиц. Именно потому, что наши размеры намного меньше, чем расстояния между галактиками, мы можем ничего не чувствовать в связи с большим взрывом, так же мы можем не замечать хаотичного движения частиц. Главное описание Индуизма - Махабхарата. Там описана война в древней Индии - похоже на Атомную бомбу. Пандавы и Кауравы. Пандавы одерживали верх, но вождь Кауравов получил сверхоружие. Ярче тысячи солнц небо зажглось. Оружие богов пронзило чрево женщины - уничтожается плод женщины - радиация.

Так же индусы считали, что время может протекать без каких-либо событий, в том числе без движения планет. Они считали, что вселенная постоянно разрушается, а потом снова возникает. Жизнь вселенной порядка 5 миллиардов лет.

КСЕ, лекция 4, часть 1

Иудео-христианская традиция

Библия состоит из трёх частей - Ветхий завет, Новый завет и Апокалипсис.

Вселенная имеет конечное время существования и когда-то была сотворена из ничего Богом.

Книга Бытия (Берейшит) и третья книга и Маккавеев.

"В начале сотворил бог небо и землю" - Начало Библии.

"Разве вы не знаете, что бог сотворил всё из ничего" – начало книги Маккавеев.

И Греция, и индия придерживались взгляда, что время бесконечно, в Библии иначе. В Римской империи с появлением христианства появились богословы: Тертувиан, Ириней Пионский, Блаженный Августин(4-5 век н.э.). Они создали специальное учение о сотворения мира в прошлом, о том, что не только вселенная, но и время имеет начало. Они говорили, что время линейно, оно не циклическое и незамкнутое, оно идёт из прошлого в настоящее, из настоящего в будущее. В книге Апокалипсис сказано о конце времени.

В книге «Исповедь» Блаженный Августинговорил, что Бог сотворил Время вместе со вселенной и Вселенную со временем. А. Эйнштейн в 1916-1917 г.г. создал науку Общая Теория Относительности - наука об описании свойств пространства и времени. Он написал особые уравнения, названные в его честь уравнениями Эйнштейна. В 1922 г. в ПетербургеА.А. Фридменнашёл решение уравнения о расширяющемся пространстве. Он предложил описывать с помощью этого решения наблюдаемую вселенную. Необычным свойством этого решения являлось то, что если оно справедливо, то не было ни планет ни звёзд, всё это появилось в процессе её развития, сама же вселенная началась с некоторой точки, и эта вселенная имела начало во времени. Фридман в той же работе оценил время существования вселенной - несколько десятков миллиардов лет. В конце 19 - начале 20 века общим мнением было то, что вселенная бесконечна в пространстве и во времени. В 1925 году Фридман скончался, был похоронен на смоленском кладбище под православным крестом. В советский период его идеи скрывались, так как оно противоречило идеологии и подтверждало христианство.

В 1929 г. Американский астролог Хабблпри наблюдении в телескоп заметил, что далёкие галактики удаляются от нас тем быстрее, чем дальше от нас они находятся.

В 1927, 1929, 1930 бельгийский учёный Лемэтррешая уравнение Эйнштейна заново открыл решение Фридмана о расширении галактики, и помимо этого открыл, что если это решение правильно, то скорость удаления галактик от нас

Благодаря этому, можно сказать, что вселенная имела начало. Сегодня, с помощью запущенных спутников удалось выяснить, что возраст вселенной - 13,7 миллиарда лет.

КСЕ, лекция 4, часть 2

Стивен Хоккинг издал книгу «Краткая история времени». В 1965 г. Английский математик Хоккинг доказал теорему, названную Теоремой Пенроуза Хоккинга о том, что если галактики удаляются друг от друга, то в прошлом обязательно было начало вселенной. Точка начала вселенной - симбулярность. Временная космология в значительной степени подтверждает точку зрения о том, что время и вселенная имели начало. В книге Хоккинг сравнивает начало вселенной с точкой южного полюса, по отношению к которой всё на земном шаре севернее. И вопрос о том, что южнее южного полюса бессмысленен. Точно так же, точка начала времени это такая точка, что вопрос о том, что было до этого не имеет смысла: Всё было после. Теряет смысл само понятие "до".

У времени есть не только начало, но и конец. Конец не только как конец времени, но и как исчезновение пространства. (Это описано в Апокалипсисе - времени больше не будет, и исчезнет пространство - понятие места ).

Конец вселенной - точка, пространство же сжимается в эту точку. Расширение пространства наблюдается как раздвигание галактики. Теория Большого Взрыва - великий сток или великий водоворот. Однако, вопрос о том, будет ли конец света или нет зависит от наблюдения свойств света. Согласно одной теории , во вселенной будет конец, описанный Фридманом, согласно другой теории, вселенная будет вечно расширяться и конца света не будет. Возможно видеть всё более ранние проявления. Дело в том, что скорость света имеет конечное значение, и наблюдая далёкие звёзды, мы видим лишь прошлое вселенной, так как свет идёт медленно сравнительно с размерами вселенной.

КСЕ, лекция 6, часть 1

Начало науки нового времени

Вся современная наука берёт начло с эпохи возрождения в 15 веке. Далее она развивалась вплоть до 20 века. Возникла современная наука на западе на основе христианства.

Связанно это со следующими особенностями христианства: в отличие от античного язычества, христианства отказалось от обожествления сил природы. Бог христианства это не природа, он творец природы. Природа оказалась демифологизирована и стала рассматриваться как материал для человека. А так как Бог выше природы, то и человек выше природы и выше всей вселенной. Человек не часть природы, а выше её. Наконец, следуя идее Библии, идее закона, христианские философы и учёные считали, что Бог дал законы не только человечеству, но и всем телам в природе, по которым они движутся и себя ведут. За всеми видимыми явлениями скрывается некоторый тайный смысл. Тайный смысл - законы природы. Изучая природу, можно открыть этот тайный смысл, и, как говорил один из создателей естествознания Кеплер "Понять мысли бога". Христианские богословы считали, что слова Евангелия "Будьте совершенны, как совершенен отец ваш небесный" должны пониматься, что если Бог знает, что находиться внутри звёзд на небе, то и человек тоже должен это знать. В 1453 году пал Константинополь, столица Византии, его захватили Турки, и Византийская интеллигенция была вынуждена иммигрировать на запад, например в соседнюю Италию, хотя некоторые иммигрировали и в Россию. Эта греческая интеллигенция привезла в западную Европу знания открытий древних греков. На латинский стали переводиться научные работы многих философов. Открытия Пифагора, Архимеда, Демокрита и Евклида стали известны в Западной Европе.

Николай Коперник(1473-1543). Он родился в Польше недалеко от Кракова в городе Торунь. Он был монахом, каноником римской католической церкви, и большую часть своей жизни работал как секретарь своего дяди епископа в городе Плонборг. Главное его сочинение - 30 томов "О вращении небесных сфер". Оно было опубликовано в год его смерти. В нём он изложил мнение Аристарха Самосского о том, что Земля вращается вокруг Солнца. В своих книгах он привёл математические расчеты движения планет, и показал, что его вычисления намного проще вычислений Птоломея, основанных на идее о том, что земля неподвижна, а Солнце и планеты вращаются вокруг неё. Кроме того, Коперник с своём сочинении опроверг идею Птоломея о том, что если земля вращается, то стаканы должны падать со столов и т.д, и говорил, что если стаканы тоже вращаются вместе с землёй, а так же атмосфера земли вращается, то никаких явлений, о которых говорил Птоломей, не будет.

Галилео Галилей (1564-1642 г.) Обучаясь в Пизанском университете, он познакомился с сочинениями Архимеда и Евклида, и под влиянием греков увлёкся математикой, в частности он сформулировал принцип о том, что языком естествознания должна быть математика, и тайный смысл мироздания, и законы, данные богом, записаны на математическом языке. Галилео считал, что есть два священных писания: Библия и непрочитанное, математико-физическое писание. Потом он переехал во Флоренцию, а с 1592 г. он стал профессором в университете города Падоя. Потом он стал придворным философом герцога Медичей. Галилео Галилей сформулировал законы механики, ввёл понятия скорости, ускорения, построил теорию движения тела по наклонной плоскости и сформулировал принцип относительности движения. Согласно этому принципу, механические движения происходят одинаково в разных системах отсчёта, движущиеся одна относительно другой с постоянной скоростью. Следующий принцип - принцип эквивалентности: Тела различной природы и различной массы движутся под действием земного притяжения одинаково.

КСЕ, лекция 6, часть 2

В 1609 году Галилей изобрёл первый телескоп. Направив на Луну, он увидел кратеры - горы. О своих открытиях он написал в своей работе в 1613 году. Это произвело огромное впечатление на народ, богатые люди стали делать телескопы. Художник Чиголи изобразил в церкви Санта Мария Манджоре во Флоренции. Он изобразил деву Марию, стоящую над Луной. В 1613 году Галилей принял точку зрения Коперника о том, что Земля вращается вокруг Солнца. Вследствие того, что он стал знаменитым, у него появились враги. Один из его врагов - Людовик Коломбо основал тайную лигу и стал писать о том, что существуют еретики, которые говорят о вещах, противоречащих христианству. В частности он уговорил монаха Каччини провести проповедь о том, что есть математики еретики, говорящие, что Земля вращается вокруг Солнца. После этого на Галилея был написан донос о том, что он - еретик. У Галилео был хороший друг - кардинал Деламини. Галилео было рекомендовано не продвигать идеи Коперника, но он не сдавался. В 1642 году был второй суд над Галилеем, на этом суде ему пришлось отказаться от системы Коперника, но он добавил, что умирать за науку он не собирается. Были запрещены книги Галилея и Коперника. Протестанты говорили, что каждый человек имеет право толковать Библию по-своему, Католическая церковь же утверждала, что толковать Библию можно только согласно Католической церкви. Галилей создал оптическую теорию, он же изобрёл маятниковые часы и термометр. В конце жизни Галилео Галилей ослеп.

Иоганн Кеплер(1571-1630 г.) Он родился в Германии в городе Вейли.

Переехал в город Гратц, некоторое время работал в Праге. Сотрудничал с датским астрологом Тихо Браги. Кеплер сформулировал законы движения планет - "Законы Кеплера". Он установил, что Земля и планеты вращаются вокруг Солнца не по окружности, а по эллипсу. Он нашёл закон движения луны. Кеплер написал работы "Новая астрономия" и "Гармония мира". Кеплер ввёл понятие силы и в одной из своих работ писал, что в отсутствие сил тела движутся по прямой линии. Кеплер сделал многие открытия в области оптики, в частности, он доказал, что интенсивность света обратно пропорциональна расстоянию до источника.

КСЕ, лекция 7, часть 1

Исаак Ньютон (1643-1727 г) родился в городе Вулсторн (Англия). Протестантам даются еврейские имена. Закончил Кембриджский университет в 1665 году, где в последствие заведовал кафедрой математики до конца своей жизни. В Англии было основано королевское общество для изучения наук, Ньютон стал его членом в 1672 г. Позже он становится президентом этого королевского общества. В 1695 он был назначен смотрителем монетного двора, а в 1699 году стал директором монетного двора. Ньютон был единственным человеком в Англии, который не был обязан снимать шляпу в присутствии короля. Ньютон общался и с Петром 1. В его кабинете случился пожар, где сгорели часть его рукописей.

Ньютон соединял в себе крупнейшего математика, физика, философа и богослова. Благодаря Ньютону Англия резко преуспела в экономическом развитии. Главная работа Ньютона - "Начала натуральной философии". В этой работе он сформулировал три закона механики, открыл дифференциальное исчисление и записал законы движения тел с помощью дифференциального исчисления. В этой же работе Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, так и движение планет и Луны. Из закона всемирного тяготения следует, что планеты должны двигаться вдоль эллипса, как это раньше его говорил Кеплер.

Ньютон сформулировал движения жидкости и построил теорию вязкости. Так же он занимался теорий света - оптикой, обнаружил спектр света, открыл явления интерференции и дифракции света. Ньютон стал обсуждать идею нахождения законов для машин, размышлял о создании искусственного спутника Земли.

Именно после Ньютона начался технологический прорыв. Зная законы, открытые Ньютоном, можно было в будущем создать машины. В последствии в Англии были созданы паровозы, пароходы и т.д. Помимо всего этого Ньютон был богословом протестантства.

Он считал, что Бог един, что мысли Бога отражены в законах природы. Так же Ньютон пытался установить законы истории, написал книгу "Толкование на Апокалипсис и книга пророка Даниила". В истории он не сильно преуспел.

КСЕ, лекция 8, часть 1

Основные концепции Ньютоновской физики

Пространство и время.

Все это изложено в его главном труде под названием "основы натуральной философии".

Абсолютное пространство это некоторое вместилище, в котором существуют физические тела, оно есть и тогда, когда тел нет. Это пространство трёхмерно, однородно и изотропно. Согласно Ньютону, может существовать пустое пространство, против этого возражал немецкий учёный Готфрид Лейбниц.

Лейбниц же говорил, что пространство не существует, если из него выкинуть все тела, и расстояния в пространстве - расстояния между телами, если тел нет, то и пространства нет. Ньютон возражал Лейбницу и говорил, что пустое пространство тоже существует.

Пространство трёхмерно, значит в нём есть три взаимно перпендикулярных направления. Это пространство однородно, что означает, что все точки в этом пространстве равноправны, не одна ничем не лучше и не хуже другой. Это пространство изотропно, что значит, что различные направления в этом пространстве эквивалентны. В пространстве осуществляется движение тел. Эти движения бывают следующими: переход от одной точки пространства к другой точке называется трансляцией, а так же возможны повороты или вращение в пространстве. То есть движения в пространстве различаются на поступательные и вращательные.

Абсолютное время.

Согласно Ньютону, время абсолютно, не от чего не зависит, линейно, течёт одинаково равномерно, имеет направление от прошлого к будущему. Абсолютное время не зависит от способа, каким мы его измеряем. Наряду с абсолютным временем есть относительное время, измеряемое нашими часами. Это время зависит от типа часов, которые мы используем, все изменения во вселенной происходят во времени, но абсолютное время, согласно Ньютону, существует и тогда, когда никаких тел и никаких процессов нет.

Тем, что время имеет направление, оно отличается от пространства. В пространстве правое и левое не отличается друг от друга, во времени же мы движемся только вперёд. Время обладает свойством однородности, что значит, что ни один момент времени ничуть не лучше и не хуже любого другого момента времени.

Нарушение свойств однородности пространства и времени связаны со свойствами самого пространства или времени, а с расположением тел или процессов в них. Нарушение однородности времени может быть связано с различием событий, происходящих в разные моменты времени, но не с тем, что эти моменты разные. Согласно Ньютону, пространство и время устроены так, что в них одни положения ничем не отличаются от других положений.

Правильность этих взглядов Ньютона, сформулированных в 17 веке, была подтверждена в 20 веке, после того, как Эмми Нётер(20-30 годы 20 века) доказала теорему, названную её именем. "Из свойства однородности времени следует закон сохранения энергии, который гласит, что для замкнутой системы при всех взаимодействиях тел сохраняется полная энергия системы. Из свойства однородности пространства следует закон сохранения импульса, или количества движения, который говорит, что для замкнутой системы, при всех взаимодействиях тел, сохраняется полный импульс, или количество движения.

Из свойства изотропности пространства следует закон сохранения момента количества движения".

КСЕ, лекция 8, часть 2

Благодаря работам Эмми Нётер стало понятно, что так как в окружающем нас мире мы не наблюдаем нарушения законов сохранения энергии, количества движения и момента количества движения, то пространство и время действительно обладает теми свойствами, о которых говорил Ньютон.

Три закона Ньютона:

1. Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния. Действие одного тела на другое Ньютон предложил назвать силой, это действие или сила может быть локальной, например, когда одно тело толкает другое, или нелокальной (действие на расстоянии). Нелокальной силой является сила тяготения, например, Земля действует на Луну, находясь от неё на определённом расстоянии.

2. Произведение массы на ускорение тела равно сумме действующих сил.

3. При различных взаимодействиях тел действие равно противодействию.

Принцип детерминизма

Второй закон Ньютон представляет собой дифференциальное уравнение, решив которое, можно узнать траекторию тела. Для этого надо узнать силы, которые действуют на тело. Кроме второго закона Ньютона для нахождения траектории нужно знать положение тела в некоторый начальный момент времени.

Эти условия в начальный момент времени называются начальными условиями. Зная силы гравитации, действующие со стороны Солнца на планеты, Ньютон нашёл траектории планет, которые совпали с эллипсами, предсказанными Кеплером. В конце 18 века французский математик Лаплассформулировал принцип детерминизма.

В окружающей нас вселенной не существует никаких случайностей. Если в некоторый момент времени знать абсолютно точно положение и скорости всех тел во вселенной, то можно предсказать любое будущее событие. Согласно Лапласу, если что-то нам кажется случайным, то это происходит от того, что мы не знаем либо точных положений тел, либо их скоростей, либо сил, на них действующих.

КСЕ, лекция 9, часть 1

В течение 200 лет взгляды Ньютона считались неизменными в естествознании и только в начале 20ого века благодаря Эйнштейну мы пришли к некоторому пересмотру этих взглядов. Связано это с нашим изменением взглядов на пространство и время, потому что Ньютон начинал свою главную работу с определения, что такое пространство и время. Эйнштейн сказал: "Я читал Достоевского. Он дал мне больше, чем Гаусс".

К-Ф. Гаусс (1777 - 1855 г.)

К-Ф. Гаусс (1777 - 1855 г.) родился в городе Броунцвейг. Учился в Гетингенстком университете. С 1807 г. он был профессор Геттингенсокого университета и директором астрономической лаборатории.

В физике Гаусс ввёл систему единиц для измерения электрического и магнитного полей (Гауссова система), в частности для измерения магнитного поля Земли. Затем он с Вебером создал первый телеграф. Известны работы Гаусса в оптике, где он занимался построением теории изображения, которая стала использоваться в теории фотографии. В математике он создал дифференциальную геометрию. В алгебре им открыт метод Гаусса, решающий системы уравнений. Некоторые приписывают Гауссу открытие неевклидовой геометрии. Гаусс не опубликовал ни одной работы в этой области и считал, что это не нужно. Гаусс в этом похож на Гоголя, который сжёг второй том "Мёртвых душ". Сам термин "неевклидовая геометрия" был введён Гауссом в 1818 г. Он опубликовал работу, где написал, что пятый постулат Евклида не выводится из четырёх остальных: на плоскости, если имеется прямая и точка, то через эту точку можно провести только одну прямую, параллельную данной.

Геометрия эта названа неевклидовой. В 1818 году в Германии профессор права города Марбург Швейкарт построил пример геометрии, в которой сумма углов меньше суммы двух прямых углов. Швейкарт послал работу Гауссу. Однако Гаусс сказал, что эту работу не надо публиковать. Племянник Швейкарта Гауринус увлёкся идеями дяди и написал труд, который назвал "Фундаментальные элементы геометрии". После того, как он показал его Гауссу и тот труд тоже не советовал распространять, Гауринус его сжёг.

В 1826 году в городе Казань в России Н.Н. Лобачевский прочитал лекцию, в которой излагал новую геометрию, в которой он отказался от пятого постулата Евклида. В 1829 году он опубликовал работу "Об основах геометрии".

Н. Н. Лобачевский родился в 1792 году и умер в 1846 г. Он - один из создателей Казанского университета.

Близкий к Гауссу человек академик Остроградский, который опубликовал Фельетон в журнале против Лобачевского. Но Лобачевский стал ректором Казанского Государственного Университета и стал печататься. Основной его работой был труд "Пангеометрия". Эти работы Лобачевского стали известны Гауссу.

Ещё один учёный, внесший вклад в математику - Боян - венгерский офицер, его отец был преподавателем математики и другом Гаусса. В 20-е годы он написал большое сочинение, в котором изложил геометрию, в которой он отказывался от пятого постулата. Но в 1832 году отец показал сочинения сына Гауссу, который долго думал над этой проблемой.

В 1854 году немецкий математик Риман перечислил виды неевклидовой геометрии. Риман окончательно сформулировал неевклидовую геометрию.

Гаусс не опубликовал геометрию, так как математика не только язык естествознания, но это ещё и очки, через которые мы смотрим на мир. Он был последователем Канта и говорил, что пространство и время формы человеческого созерцания. Мир, который мы видим обусловлен устройством нашего человеческого разума, следовательно сам по себе мир не находится в каком-то пространстве и времени. Это человек не может созерцать мир и думать о нём без пространства и времени.

Если изменить пространство и время, то окружающий мир измениться. Гаусс верил в загробный мир и говорил, что для мёртвого человека геометрия другая, она - гиперболическая. Следовательно, если эту геометрию пропагандировать, то результатом пропаганды будет разрушение окружающего мира (или слияние загробного и нашего миров).

КСЕ, лекция 9, часть 2

Достоевский Ф. М.

Достоевский Ф. М. учился в Санкт-Петербурге в инженерном замке и ему хорошо преподавали математику. Он учил геометрию по учебнику, написанном учеником Лобачевского Брашманом.

В разных состояниях сознания реализуется разная геометрия.

В романе "Братья Карамазовы" Достоевский устами героя говорит: "Мир и Вселенная ужасны с точки зрения евклидового ума. С неевклидового ума и геометрии то, что нам кажется ужасным является гармонией."

Достоевский стал пропагандировать неевклидовую геометрию, так как считал что жизнь полна страданий.

Достоевского волновала проблема Геодеция том, как разрешить противоречие между тем, что вселенная сотворена всемогущим любящим богом, но мир полон страдания и жестокости.

Образом Бога в этом мире является распятый Христос, поэтому в этом мире нет Царствия Божьего, а оно есть в другом мире, в котором человек может найти упокоение. Если человеческое сознание измениться, то человечество увидит мир как гармонию.

В отличие от Гаусса, Достоевский не любил Россию своего времени.

Альберт Эйнштейн (1879-1955 г.)

Родился в городе Ульм в Германии. В 1900 году Эйнштейн закончил политехникум в городе Цюрих. С 1902 года по 1908 он работал в патентном бюро в городе Берн.

Именно в эти годы были сделаны главные открытия - теория относительности и квантовая механика.

С 1909-1914 год Эйнштейн - профессор Цюрихского политехникума. С 1914 года - профессор Бернского Университета (до 1933 года) и директор института кайзера Вильгельма.

В 1922 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике. С 1933 года-1955 год - находился в городе Принстон.

Основные открытия Эйнштейна:

В 1905 году Эйнштейн опубликовал работу "Электродинамика движущихся сред". В этой работе он изложил основы специальной теории относительности как новой теории пространства и времени.

В 1905 году он опубликовал работу, в которой он ввёл понятие фотона как кванта света.

В 1916 году он опубликовал работу, в которой он изложил общую теорию относительности как теорию тяготения.

В 1924 году он предложил описание системы многих квантовых частиц, где была введена статистика Бозе-Эйнштейна.

Он учился вместе с Милевой Марич, очень способной к математике, и хотел на ней жениться, но этого не получилось до рождения ребёнка. После рождения ребёнка брак состоялся. Милева поправляла ему математические ошибки. В 1916 году развёлся с ней и женился на двоюродной сестре Шарлотте.

Главными идеями в работах 1905 и 1916 годов является идея о применимости идей неевклидовой геометрии к окружающему миру, в частности Эйнштейн доказал, что если в неевклидовой геометрии длина стороны треугольника оказывалась больше

суммы двух других сторон, то выделяется энергия, и она оказывается очень большой. (из-за дефекта масс).

Поэтому Эйнштейн послал письмо Рузвельту, в котором написал о возможности создания нового типа оружия, которое по разрушительной силе превосходит всё что есть на земле за счёт распада урана.

Рузвельт поручил собраться учёным вместе и начать разработку атомной бомбы - "Манхатенский проект". Когда Американцы бросили бомбы на Хиросиму и Нагасаки - трагедия для Эйнштейна. (он считал себя виноватым) - 200 000 человек сгорели заживо за несколько мгновений.

Одна из крупных угроз человечеству - столкновение Земли с Астероидом.

65 миллионов лет назад было столкновение. На 50 лет установилась тьма, температура понизилась на 40-50 градусов. Погибло много животных. Палеонтологи обнаружили, что из 50 видов водорослей выжило 3. Выжили теплокровные, рептилии же - по большинству исчезли с лица Земли. Благодаря Атомным Бомбам имеется проект, согласно которому разработаны методы борьбы с приближающимся метеоритом с помощью атомных и водородных бомб.

КСЕ, лекция 11, часть 1

Концепции специальной теории относительности

Диаграмма Минковского:

Теорема была создана Эйнштейном в 1905 году. В ней доказывается, что пространство-время четырёхмерно, а значит, время должно измеряется в километрах. Однако исторически сложилось так, что время измеряется в других единицах измерения. Время - четвертое измерение, перпендикулярное трём измерениям пространства.

Скорость света С = 300000 км/с.

Существует фундаментальная постоянная, которая совпадает по числовому значению со скоростью света, а так же и со скоростью гравитационной волны и скоростью частицы нейтрино, которая позволяет переводить секунды в километры.

Макроскопические тела, к которым относятся и люди, имеют свойство, что они занимают небольшой размер в трёхмерном пространстве, но вытянуты в четырёхмерном измерении - во времени. С четырёхмерной точки зрения каждый человек имеет очень большую длину в четвёртом измерении - времени, и небольшой размер в трёхмерном измерении - пространстве.

В отличие от человека множество элементарных частиц (имеющие небольшое время жизни) почти одинаковы и в пространстве и во времени.

Точки в пространстве и времени называются мировыми точками или событиями.

Точка А имеет четыре координаты:

А (ctA, xA, yA, zA).

B (ctB, xB, yB, zB).

Геометрия четырёхмерного пространства и времени - неевклидова геометрия Минковского.

В этой геометрии теорема Пифагора выглядит иначе, чем в Евклидовой геометрии - Квадрат гипотенузы равен разности квадратов катетов.

Американский физик Майкенсон обнаружил свойства скорости света - оказалось, что скорость света не зависит от скорости движения источника света и определяется величиной одинаковой вне зависимости от того, как вы движетесь относительно светового излучения.

Этим свет отличается от звука. Для того, чтобы описать свойство света Эйнштейн и Лоренц пришли к выводу, что пространство и время должны обладать необычными свойствами. Эйнштейн в 1905 году сказал, что пространство и время должны описываться геометрией Минковского.

Линии в пространстве называются мировыми линиями.

Свойство нашей вселенной - все объекты движутся во времени вверх, из прошлого в будущее. Возникает мировая линия данного тела. Она является прямой линией, если тело не подвергается ускорению. Если на тело действовало ускорение, то мировая линия - кривая. Свет распространяется по биссектрисам (пунктиры) - световые конуса. 4х мерная вселенная имеет свойство, что все объекты движутся во времени из прошлого в будущее. По некоторым причинам не может остановиться.

В пространстве тело может двигаться и покоиться, а так же двигаться вправо и влево. Во времени это не так!

Четырёхмерный вектор импульса

Почему взрывается атомная бомба?

Галилеем были введены Вектор скорости (V) и вектор импульса или количество движения (mV).

Перед Эйнштейном встал вопрос всякий ли трёхмерный вектор в обычном пространстве должен рассматриваться как проекция 4х мерного объекта.

4х мерный вектор скорости

В отличии от обычной скорости в нём появилась проекция на ось времени. У этого вектора есть четыре ненулевые компоненты

4х мерный вектор энергии импульса

Вывод: Энергия тела коме кинетической энергии имеет новый вид Е=mc2 ( V=0) - энергия покоя.

Нужно использовать новую теорему Пифагора:

Квадрат длины четырёхмерного вектора энергии импульса равен произведению кадрата массы на квадрат скорости света.

AB=1

AC=2

CB=3

Некоторое тело имеет четырёхмерный вектор АВ. Тело 1 раскалывается на куски 2 и 3. Закон сохранения энергии импульса говорит, что вектор 1 должен быть равен сумме векторов 2 и 3, которые образуют треугольник АВС.

Но

Следовательно, ломаная Линия короче прямой.

- дефект массы.

Если тело раскалывается на два осколка, то выделяется новая энергия , поэтому, когда обнаружили, что атомная масса ядра U-235 может раскалываться на два осколка, то было понятно, что при этом выделяется большая энергия, если количество ядер большое.

КСЕ, лекция 11, часть 2

Количество Атомных ядер U-235 , при которых выделяется большая энергия, происходит цепная реакция, делящая Уран, выделяется большая энергия, происходит взрыв, однако, если масса меньше критической, то взрыва не нет, но образец нагревается до большой температуры.

Помещая в образец графитные стержни, получаем энергию, таким образом работают атомные станции.

КСЕ, лекция 12, часть 1

Преобразования Лоренса

Возникает вопрос: поскольку теория относительности время рассматривает как 4ое измерение, что означает поворот на некоторый угол в плоскости пространства-время.

1. Преобразование поворота на некоторый угол в плоскости пространство-время есть переход в другую систему отсчёта, движущуюся относительно исходной со скоростью V. Угол поворота выражается через скорость - чем больше скорость, тем больше угол поворота. В теории относительности утверждается, что скорость света есть предельная скорость распространения любого сигнала. Невозможно движение тел со скоростью, большей скорости света. Поэтому угол поворота в плоскости пространство-время не может больше 45' на нашем рисунке.

Необычным свойством этих преобразований является то, что при переходе в другую систему отсчёта меняется не только координата Х, но и время Т, а это значит, что новым свойством теории относительности будет то, что время течёт по разному в разных системах отсчёта. В результате возникает два важных эффекта: Лоренсово сокращение масштаба и Лоренсово изменение времени.

Лоренсово сокращение масштаба состоит следующем: если относительно неподвижного наблюдателя имеется стержень длиннойl₀, то для наблюдателя, движущегося со скоростью V этот стержень будет иметь меньшую длину.

Поэтому, когда скорость приближается к С, то время стремиться к 0.

Парадокс "Самолёт в стакане". А если самолёт, движущийся со скоростью, близкой к скорости света (и уменьшенный), можно поймать стаканом???

Относительное сокращение длин происходит относительно наблюдателя, по отношению к которому стержень движется. А относительно пассажиров в самолёте будет наоборот: размер стакана будет ещё меньше, чем раньше.

2. Если некоторый процесс занимает время ∆tв системе отсчёта неподвижного наблюдателя, то этот процесс занимает ∆Т' с точки зрения подвижного наблюдателя пройдёт время

Если имеется процесс распада частицы, занимающего время ∆Т, то с точки зрения подвижного наблюдателя этот процесс идёт намного дольше и занимает время ∆Т'. Проявляется это в следующем эксперименте: На землю из космоса падает поток частиц из космического пространства. Они называются космические лучи. В этих космических лучах есть частицы Мю-мезоны. Частица Мю-мезон в лаборатории живёт очень маленькое время и быстро распадается, но в космических лучах из-за большой скорости эта частица живёт намного дольше и успевает пролететь большое расстояние из ионосферы до поверхности земли, где её и наблюдаёт в специальных лабораториях.

"Парадокс близнецов"

В теории относительности справедливо следующее рассуждение - пусть имеется два брата-близнеца, находящихся в точке О. Один из этих братьев садиться в ракету и летит с большой скоростью, приближающейся к скорости света, долетает до планеты Сириус в точке А, а потом поворачивает назад и обратно прилетает на Землю в точку Б. Так как время по-разному течёт в разных системах отсчёта, то когда братья встречаются, то оказывается, что один из них будет гораздо моложе другого.

Моложе оказывается брат, который летел в ракете, поскольку длина ломаной линии OABиз-за новой теоремы Пифагора оказывается меньше, чем длина прямой, соединяющий точкиOиB. В качестве братьев близнецов брались атомы радиоактивного железа. Атомы радиоактивного железа имеют определённое время жизни. Берётся два одинаковых образца, один из них нагревался. Данный опыт полностью соответствовал теории относительности.

КСЕ, лекция 12, часть 2

Концепции общей теории относительности

В конце 19-ого века перед учёными встал вопрос - что такое электромагнитное и гравитационные поля. В это время в физике господствовало представление о том, что между Солнцем и Землёй имеется особая среда, которая называли эфиром. Этот эфир похож на жидкость или твёрдое тело. Поэтому распространение света от Солнца к Земле представляли следующим образом - на Солнце атомы колеблются, это приводит к волновому движению частиц эфира. Подобно камню, брошенному в воду, когда волны на воде кажутся колебаниями частиц воды. В 1887 году Майкельсон показал, что никакого эфира в природе нет. Поэтому, электромагнитное поле и в частности свет нельзя представлять как колебания какой-то среды.

И тогда перед физиками встал вопрос - что такое электромагнитные и гравитационные поля? В 1916 году Эйнштейн дал объяснение о том, что такое гравитационное поле, если никакого эфира не существует. При построении этой теории нужно было дать ответ на следующий вопрос - что находиться между Солнцем и Землёй, если эфира не существует. Между Солнцем и Землёй существует пустое пространство, а так же время. Нет ли у пространства и времени таких свойств, что изменение этих свойств будет наблюдаться нашими органами чувств и мы будем называть это изменение светом или тяготением. Какие же это свойства пространства и времени, которые мы называем полем. Гравитационное поле, согласно Эйнштейну, это кривизна пространства времени.

Притча о путешественниках.

Рассмотрим следующий мысленный пример - двое путешественников идут по поверхности Земного шара по меридианам прямо на север от экватора к Северному полюсу и считают, что поверхность Земли плоская. Эти путешественники обнаруживают, что расстояние между ними уменьшается, а на Северном полюсе они сталкиваются друг с другом. Эти путешественники настаивают, что Земля плоская, и они говорят следующее - существует некоторая сила или поле, действующая между ними, эта сила есть сила притяжения и именно она заставляет на столкнуться на Северном полюсе. Эта сила обладает странным свойством - мы одинаково приближаемся друг к другу, вне зависимости от того, идут они или едут на чём-то. Она не зависит от массы используемого способа передвижения. Такое свойство совпадает с тем, что Галилей назвал принципом эквивалентности.

В гравитационном поле тела движутся независимо от их массы. Но вот к этим путешественникам приходит образованный человек и говорит, что на самом деле Земля - шар, и поверхность земли - кривая, поэтому то, что вы называете силами притяжения есть следствие кривизны поверхности земного шара.

Концепция общей теории относительности состоит в следующем - поле тяготения это кривизна четырёхмерного пространства времени. Тяжёлое тело большой массы, например Солнце, меняет свойства окружающего его пространства времени, делая его кривым. В этом искривлённом пространстве времени тела движутся не по прямым линиям, а по эллипсам. Поэтому гравитация - следствие кривизны пространства времени.

КСЕ, лекция 13, часть 1

В общей теории относительности Теорема Пифагора усложняется. Перед квадратами гипотенузы и квадратами катетов ставятся некоторые коэффициенты - g₀₀, g₁₁, g₂₂, g₃₃, являющиеся функциями точки. В обычной теорем Пифагора все эти коэффициенты равны 1. Эти коэффициенты называются компонентами метрики. Отличие их от 1 означает, что пространство и время обладает кривизной, что проявляется как гравитационное поле.

Экспериментальное подтверждение общей теории относительности

1. Гравитационное красное смещение. На поверхности Солнца коэффициент g₀₀отличается от него на Земле. Это приводит к тому, что время идёт на Солнце по другому. Проявляется это в том, что одинаковые атомы на поверхности Земли и Солнца по-разному светятся, а спектр атомов на Солнце смещёны в красную сторону. Этот эффект подтверждает теорию относительности.

2. Движение перигелия Меркурия - планета Меркурий вращается вокруг Солнца по эллипсу. У эллипса есть наиболее отдалённая точка от солнца (точка перигелия). Астрономы обнаружили, что эта точка движется, как если бы эллипс вращался сам. Высказывалась гипотеза о наличии неизвестной планеты, которая всегда находиться с другой стороны Солнца, и она объясняет этот сдвиг. После того, как Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, ему удалось доказать, что изменение пространственной линии Солнца приводит к вращению эллипса, которое мы наблюдаем. Этот эффект был объяснён без гипотезы антитерры.

3. Искривление световых лучей под действиям Солнца. Имеется звезда, которая находиться для нас за Солнцем. Если бы пространство время не искривлялось, то световые лучи были бы прямыми линиями. Этот эффект наблюдается особенно сильно, если вместо Солнца имеется далёкая галактика, а в качестве звезды сверхновая звезда, находящаяся за этой галактикой. Эти эффекты называются гравитационными линзами.

4. Чёрные дыры. Может быть ситуация, когда гравитационное поле таково, что коэффициент g₀₀в некоторых точках стремиться к 0. Это значит, что в этих точках время останавливается, и никакие процессы не могут происходить. Такой объект не может светиться, так свет не может покинуть этого объекта, потому что притяжение на его поверхности столь сильно, что скорость необходимая для того, что бы оторваться от этого объекта должна быть больше скорости света. Некоторые звёзды, когда внутри прекращаются ядерные процессы, начинают сжиматься, и образуется особы объект, называют чёрной дырой. Называние чёрная дыра происходит оттого, что подобная звезда не может испускать свет, она может только всё поглощать. Поэтому, если такая звезда приблизиться к Солнечной системе, то она притянется к ней. Если космонавт будет падать в чёрную дыру, он обнаружит, что всякая связь с внешним видом при помощи радио прекратиться. Далее он обнаружит, что для него станет невозможным возвращение назад, а возможно только его падение в центр чёрной дыры. Чёрные дыры бывают двух типов:

1). Вечные чёрные дыры.

В центре таких дыр находятся туннели - мосты Эйнштейна-Розена. Этот мост связывает пространство нашей вселенной с пространством другой вселенной, которая для нас не наблюдаема.

2). Другие чёрные дыры второго типа обладают особым свойством - в центре время перестаёт существовать - Сингулярность. Эти чёрные дыры обнаружены в следующих областях вселенной - в созвездии Лебедя имеется чёрная дыра, которая втягивает в себя газ находящийся около неё звезды. Чёрные дыры находятся в центре галактики. В центре нашей галактики находиться чёрная дыра. Чёрная дыра в центре галактики называется ядром галактики.

КСЕ, лекция 13, часть 2

В зависимости от массы чёрной дыры, находящейся в центре галактики, а так же направление скоростей звёзд, вращающихся вокруг неё, могут быть разные типы галактик. В частности существуют галактики, в которых чёрная дыра втягивает внутрь себя почти все звёзды этой галактики. Типичная галактика содержит 10 в 11 степени звёзд. Каждая звезда имеет размер типа нашего Солнца. Некоторые из этих звёзд имеют планеты. Галактика, в центре которой находиться чёрная дыра, которая втягивает в себя все звёзды галактики, называется Квазар. Эта галактика наблюдается на небе как некий объект, обладающий размерами, во много раз меньшими, чем наша галактика, но испускающая очень яркий свет. Эти квазары далеко от нашей галактики. Почему квазары так сильно светятся? Это связано с тем, что по мере приближения звезды к чёрной дыре, которая хочет её поглотить, скорость звезды сильно увеличивается, и чем больше скорость звезды, тем больше она излучает. Квазары исследуются с помощью телескопов, часть из которых находятся в обсерваториях на земле, а часть помещается на искусственных спутниках земли. Один из таких искусственных спутников с мощными телескопами, запущенный американской компанией НАСА, называется Хаббл. С помощью него было обнаружено, что в квазарах звёзды движутся к центру.

5. Расширение вселенной. А.А. Фридман нашёл решение уравнения Эйнштейна, в которых коэффициенты g₀₀, g₁₁являются функциями времени. Это значит, что коэффициенты меняются со временем, то есть со временем меняются свойства вселенной. Расширяется само пространство. В 1929 году американский учёный Хаббл открыл, что далёкие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию от них.V=H*R.

Закон Хаббла говорит не о том, что мы находимся в центре вселенной, но о том, что расширяется пространство вселенной, и в какой бы точке пространства вы не находились, вам будет казаться, что всё убегает от вас. Постоянная Хаббла - H = 75 км/сек*мгпс. Возраст вселенной Т=13,7*10⁹лет

КСЕ, лекция 14, часть 1

Концепция микромира

Микромир - мир молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Каковы размеры этих объектов? Средняя молекула 10^-6см, однако, имеются особые органические молекулы, входящие в состав живых организмов, которые имеют очень большую длину - порядка нескольких метров, а толщину - порядка размера атома - 10^-8см. Вид этой молекулы - закрученная спираль. Если все спирали, входящие в состав человека, раскрутить, получиться сотни миллионов километров - больше, чем размер солнечной системы.

Размер атома - 1 ангстрем = 10^-8см. Атом состоит из атома, ядра и электронов, размер атома ядра - 1 ферми = 10^-13см. Размер ядра урана 235 - 10^-11см. Атомные ядра, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов, частицы с положительным электрическим зарядом, количество протонов в атомном ядре определяет порядковый номер ядра. Атомные ядра с одинаковым количеством протонов, но разным количеством нейтронов называются изотопами. Атомные ядра располагаются в периодической таблице элементов Менделеева. Сегодня в лабораториях получено множество атомных ядер, более тяжёлых, чем уран, они называются трансурановыми элементами.

Возникает вопрос - конечна ли система Менделеева, или элементов - бесконечное количество? Теория предсказывает, что максимальное количество протонов в ядре - 272. Если зет будет больше 272, то возникает процесс неустойчивости атомов, ядро не существует. А количество нейтронов можно увеличивать бесконечно.

Возникает вопрос: а можно ли получить макроскопический объект из одной молекулы - Можно! Такие объекты существуют в природе - нейтронная звезда. Один из таких объектов найден в крабовидной туманности, в центре этой туманности находиться нейтронная звезда, которая является остатком сверхновой звезды, взорвавшейся там в 1054 году. Этот взрыв был описан в китайских летописях как появление очень яркой звезды на небе, которая светила несколько дней, а потом погасла. Другое название нейтронной звезды - Пульсар, поскольку она излучает электромагнитное излучение в виде отдельных импульсов, и когда впервые её обнаружили, астрономы считали, что они установили связь с инопланетной цивилизацией. Существование нейтронных звёзд были предсказаны Л.Д.Ландао в 30-е годы. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов - 10^-15см, в свою очередь нейтроны и протоны состоят из кварками. Нейтрон и протон состоят из трёх кварков. Расстояние 10^-15см - наименьшее расстояние, которое было достигнуто современной техникой. Если в Швейцарии будет построен суперколлайдер. Когда построят этот прибор, то удастся заглянуть на расстояние 10^-17см. Эти размеры очень интересуют физиков, поскольку согласно некоторым теориям, на этих размерах откроется выход в другое или другие измерения, отличающиеся от нашего пространства и времени.

Все эти объекты микромира, от молекул до элементарных частиц, описываются принципами квантовой физики. Принципы квантовой физики отличаются от классической физики, поэтому микромир отличается от макромира гораздо больше, чем поверхности Луны и Земли. У объектов микромира есть множество свойств, которым нет аналогов в макромире. Так, кроме энергии, импульса, координаты, объекты микромира характеризуются свойствами, которым даны специальные названия - это чётность, странность, красота, очарование, красота, высота. У этих свойств нет аналогов в макромире, которые можно было бы воспринимать чувствами. Свойства макромира поучаются из свойств микромира, но свойств микромира больше, чем свойств макромира, некоторые свойства микрообъектов пропадают при переходе к макромиру.

Принципы квантовой физики.

КСЕ, лекция 14, часть 2

1. Существование кванта действия, выражаемого через постоянную Планка.

h=6,6*10 в -27 эрг*сек.

[h]=[энергия][время]

[h]=[момент количества движения]= [mV]*[r]

Смысл существования постоянной Планка состоит в том, что действие или момент количества движения в природе меняются дискретно, а не непрерывно.

Существует мельчайшая единица действия или момента количества движения, которую уже дробить нельзя. В природе существует абсолюта единица момента количества движения.

Если мы хотим передать номер нашей планеты инопланетной цивилизации, мы столкнёмся с некоторыми проблемами. Каждая орбита планеты характеризуется своим моментом количества движения. Им нужно послать |L|/h. Единицы длины определены как относительные единицы, определены относительно некого стандарта. Постоянная планка - абсолютная единица, которая существует в самой проблемы.

2. Коспулькулярно-волновой дуализм.

В 1905 году Эйнштейн написал формулу, согласно которой свет состоит из некоторых частиц, названных фотонами, так, что энергия каждого фотона (1).

В 1922 году Луи де Бройль ввёл представление о волне де Бройля. Частице с массой М и скоростью Vсопоставляется особая волна, с длиной, равной (2).

В 1927 году англичане Девинсон и Джермер экспериментально обнаружили явление интерференции и дифракции электронов. Имеется экран 1 с двумя щелями - А и В. Имеется экран 2. Электроны, вылетающие из источника, могут попасть на экран 2, если они пролетают через щели А и В. В опыте электроны летели один за другим, не сталкиваясь друг с другом. Если электроны были бы похожи на пули, то электроны попадали в точки, находящиеся напротив щелей А и В. В опыте Девисона и Джелмера на экране 2 измерялся электрический ток. В этом опыте было показано, что вместо картины, которая ожидалась бы, если бы электроны были похожи на пули, наблюдаются система из нескольких концентраций электронов, такой, как если бы электроны были бы световой волной. Если бы на экран падала световая волна, картина была бы почти такой же.

В связи с этим наблюдением возник вопрос - что она собой представляет и чем отличается от световой волны. Если бы электрон был волной, то помещая в разные точки фронта этой волны приборы, мы бы обнаружили в этих точках действие электрона. Однако, в случае электронов это не так. Электрон всегда наблюдается как одна очень маленькая частица, не имеющая протяжённости. Если электрону сопоставляется волна, то мы увидим электрон только в одной точке.

Волна де Бройля - волна вероятности.

КСЕ, лекция 15, часть 1

Волновая функция микрочастицы определяет вероятность обнаружить частицу в той или иной точке пространства в определённый момент времени. В тех точках, в которых квадрат абсолютной величины этой функции больше, там больше оказывается частота попадания частиц с той же волновой функции.

Индетерминизм

В 18-ом веке французский математик Ла-Плас в связи с Ньютоновской физикой высказал следующее утверждение: "Если в какой-то момент времени знать положение и скорости всех частиц во вселенной, из которых сложены тела окружающего мира, и если знать законы их движения, определяемые Ньютоновской физикой, то можно точно предсказать любое будущее состояние вселенной. Во вселенной не существует случайностей, всякое явление имеет свою причину, знание которой заранее позволяет предсказать любое явление. То, что мы называем случайностью, является следствием нашего человеческого незнания, по этому по мере развития науки и увеличения человеческого знания мы сможем предсказывать точно всё больше и больше явлений окружающего мира." - принцип Ла Пласовского детерминизма. Согласно этому принципу, в природе всё причинно связано, в природе не бывает чудес.

В 19-ом веке ряд философов, и частности Маркс применили эту идею Ла Пласу к социальным явлениям и экономике. Согласно Марксу, так же, как существуют законы Ньютоновской физики, существуют законы развития общества, зная которые, можно предсказать точно будущее развитие человечества. Однако, противники Маркса уже в 19-ом веке указывали на такое явление, как свобода воли человека. В конце 19-ого и начале 20-ого на важность свободы воли в социальной жизни указывали русские философы Бердяев и Булгаков, которые предсказывали будущее крушение марксизма. Свобода воли означает отказ от Ла Пласовского детерминизма и утверждение, что некоторые поступки человек может совершить или не совершить, и никакая причина не заставляет его совершить обязательно один из них. Именно на идее свободы воли человека основана юриспруденция и судебное законодательство. Согласно Марксу и его последователям, действия человека полностью определяются условиями его жизни, по этому, как считал Маркс, а за ним Ленин и Сталин, если вы измените устройство общества, т человек вообще не буде совершать преступлений, и потребность в судах вообще отпадёт.

Квантовая механика отказалась от идеи Ла Пласовского детерминизма. Предположим, что у нас имеется 5 атомных ядер, которые обладают одной и той же массой, одним и тем же порядковым номером в таблице элементов Менделеева, и будучи радиоактивными, характеризуются одним и тем же временем жизни. В этом случае согласно квантовой механике они описываются одной и той же волновой функцией. В течение этого времени жизни каждое из ядер распадаться, но одни из ядер распадаются раньше, а другие позже. (15.1) Предположим, что через некоторое время, меньшее времени жизни, ядра 1 и 4 распались, а 2,3 и 5 нет. Физики 19-ого века сказали бы, что существует скрытая причина, заставившая ядра 1 и 4 распасться раньше, чем другие. Квантовая же механика утверждает, что все ядра с одинаковой волновой функцией полностью равноправны, и в природе не существует никакой причины, заставляющей именно ядра 1 и 4 распасться раньше, а другие позже. Если бы атомные ядра могли говорить, и мы бы спросили их, почему вы распались раньше, а другие позже, они сказали бы, что им так захотелось.

Эта ситуация в микромире, которая показывает, что в природе существует абсолютная случайность, несвязанная с нашим незнанием, называется квантовым индетерминизмом.

КСЕ, лекция 15, часть 2

Описанный ранее распад атомных ядер называется спонтанной радиоактивностью. Слово "спонтанный" эквивалентно "случайны" или "произвольный". В конце 20-х годов 20-ого века между создателями квантовой механики нобелевскими лауреатами Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором, работавшем в Копенгагене, завязалась дискуссия, продолжавшаяся более 10-ти лет до конца 30-х годов, Альберт Эйнштейн резко возражал против индетерминизма в квантовой механике, он говорил, что считает, что на самом деле существует скрытая и неизвестная пока нам причина, заставляющая одни атомные ядра распадаться раньше, а другие позже. По этому, говорил он, описание кантового объекта с помощью волновой функции как волны вероятности, является неполным. В будущем появится другая теория, которая будет удовлетворять принципу Ла Пласовского детерминизма. Такую другую теорию Эйнштейн и его сторонники, к которым примкнул Луи де Бройль, назвали теорией скрытых параметров. Однако, Нильс Бор, Гейзенберг, Диран и Фок выступили против Эйнштейна и стали говорить, что описание с помощью волновой функции является правильным, и никакая теория скрытых параметров не нужна. К концу 30-х годов среди физиков был раскол, одни принимали полностью описание с помощью волновой функции, другие же это отрицали. В частности Эйнштейн сказал: "Я не верю, что бог играет в кости". Эйнштейн в своих взглядах считал, что бог проявляется в мире через законы, и никаких чудес как полностью случайных явлений быть не может. Долгое время среди физиков этот раскол сохранялся, пока в 1964 году работавший в Швейцарии физик Джон Белл не доказал Теорему Белла. Согласно этой теореме если существуют скрытые параметры и верен принцип Ла Пласовского детерминизма, то обязательно во всех экспериментах должны соблюдаться некоторые неравенства, названные неравенствами Белла. Во франции в 1982 году экспериментатор Ален Аспек Поставил эксперимент с фотонами, который показал, что неравенства Белла нарушаются. Таким образом было даказано, что в дискуссиии, расколовшей физиков на два противоположных лагеря, правы оказались сторонники Нильса Бора, а не Эйштейна. Эти эксперименты по нарушению неравенств Белла с 1982 года ставились и других странах - в Австрии, в Италии, и все они показали то же самое.

Сегодня обсуждается вопрос, является ли свобода воли человека и квантовый индетерминизм одним и тем же или нет. Ясного ответа на этот вопрос не существует, тем не менее бывший президент Чехии Ватслав Гавел заявил, что падение коммунизма произошло потому, что марксистская теория наткнулась на свободу воли человека.

Элементарные частицы и их взаимодействия

КСЕ, лекция 16, часть 1

Простейшими элементарными частицами, из которых состоят атомы и атомные ядра, являются электроны, протоны и нейтроны. Так же простейшей элементарной частицей является квант света - фотон. Однако в опытах с ускорителями, в которых протоны сталкивались с другими протонами и нейтронами было открыто множество других элементарных частиц. Эти другие элементарные частицы были так же открыты в космических лучах, падающих на Землю из космоса. Большая часть этих космических лучей, благодаря магнитному полю земли отклоняются от земли, и тем самым живые существа защищены магнитным полем от вредного действия высокоэнергетических космических лучей. Однако, когда Американские астронавты высаживались на Луну, то они часто наблюдали вспышки, вызванные попаданием космических людей в их глаза, несмотря на то, что их скафандры защищали их от действия космических лучей.

Сегодня известно более 100 элементарных частиц. Часть из этих элементарных частиц, в частности протоны, нейтроны и электроны необходимы для того, что бы построить атомные ядра и атомы. Другие же частицы необходимы Для объяснения сил действующих между этими протонами, нейтронами и электронами. Дело в том, что согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма, каждой силе или каждому полю сопоставляются какие-то элементарные частицы.

И вот все эти более 100 элементарных частиц необходимы для понимания сил, действующих в микромире. В 1927 году английский физик Поль Дирак, написав уравнение квантовой механики для волновой функции электрона, обнаружил странное свойство элементарных частиц - оказалось, что решение его уравнения всегда описывают какие-то две частицы с одинаковой массой, одинаковым спином, но противоположным электрическим зарядом. Для электрона спин равен половине. (S=Ѕ). Каждой частице с зарядом соответствует другая такая же частица, во всём похожей на неё, но отличающаяся противоположным зарядом. Оказалось, что мир элементарных частиц должен быть удвоен. Эти новые частицы были названы античастицами.

В 1932 году, через 5 лет после работы Дирака, экспериментатор Андерсон обнаружил в космических лучах новую частицу, которая была названа позитроном. Позитрон обладает такими же свойствами, что и электрон, но заряд его положительный. При столкновении электрона и позитрона, как и было предсказано Дираком, эти частицы должны были исчезнуть и превратиться в два фотона. Это - аннигиляция частицы и античастицы. Далее, на основании теории Дирака было предсказано, что у любой частицы с ненулевым зарядом существует античастица с противоположным зарядом. Для протона античастицей является антипротон. Для нейтрона - антинейтрон. У нейтрона - антинейтрон, так как у нейтрона есть особый заряд, называемый барионным.

Антипротоны и антинейтроны получены в современных лабораториях, в частности в лаборатории ОИЯИ (Объединённый институт ядерных исследований в городе Дубна). Получены так же первые антиатомы. Получены антиводород, антидейтерий и интгелий. Антиатомы полностью похожи на обычные атомы, они могут составлять антимолекулы, а значит, из них могут быть составлены анизвёзды, антипланеты, на них могут жить антилюди и слушать антилекции Мир, составленный из античастиц называется антимиром.

В конце 60-х годов ленинградский физик академик Константинов предложил экспериментальную программу по проверке гипотезы о том, что некоторые звёзды, а так же некоторые другие галактики состоят из антивещества. Дело в том, что эти звёзды и эти галактики светятся точно так же, как обычные звёзды и галактики, однако при столкновении куска из вещества и антивещества должно происходить исчезновение и того и другого и превращение их в конечном счёте в свет.

При этом должна испускаться очень большая энергия, в частности та лаборатория, которая сможет накопить очень большое количество антивещества, будет способно создать оружие, во много раз превосходящее по своей силе атомное оружие. По этому гипотеза Константинова предполагает, что если в космосе есть звёзды из антивещества, то в окрестности этих звёзд должны наблюдаться процессы очень мощной аннигиляции.

КСЕ, лекция 16, часть 1

Сегодня у нас нет наблюдательных данных о том, что такие звёзды существуют, но эти исследования проводятся.

Долгое время считали, что антимир и антивещество обладают полностью одинаковыми свойствами с обычным веществом, и было непонятно, почему же вселенная как мы её видим по крайней мере в Солнечной системе состоит из вещества, но не из одинакового количества вещества и антивещества. Однако, в 1964 году американские физики Фитч и Кронин обнаружили, что существуют частицы, К-мезоны, которые чаще распадаются на позитроны, чем на электроны.

Различие свойств мира и антимира, проявляющиеся в различии распадов К-мезонов, мирий и антимирий, называется нарушение CP-инвариантности. За открытие этого различия Фитч и Кронин получили нобелевскую премию. В конце 60-х годов Сахаров и Кузьмин использовали это различие для объяснения почему вселенная в основном состоит из вещества, а не из смеси вещества и антивещества.

Благодаря этому различию, сегодня, если бы нам удалось получить сигнал от внеземной цивилизации, с помощью радио мы могли бы установить, являются ли они людьми или антилюдьми. Для этого надо спросить, в их проводах течёт ток из каких частиц - из тех, где К-мезоны чаще распадаются или реже.

КСЕ, лекция 17, часть 1

Классификация элементарных частиц.

Взаимодействие элементарных частиц.

1. Электромагнитное взаимодействие.

Все элементарные частицы, обладающие ненулевым положительным или отрицательным электрическим зарядом взаимодействуют друг с другом по средствам электромагнитного поля. Квантом электромагнитного поля является элементарная частица фотон. Эта частица обладает спином S = 1 и массой m = 0. Спин - особая характеристика элементарной частицы, описывающей её внутреннее движение, как бы вращение вокруг своей оси. То обстоятельство, что масса фотона равна нулю приводит к тому, что электромагнитные взаимодействия не только в микромире, но и в макромире. Оно является дальнодействием, то есть действует на больших расстояниях. Именно благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы, в которых протоны атомного ядра притягивают находящиеся от них на большом расстоянии электроны. Именно благодаря этим взаимодействиям атомы образуют молекулы. В конечном счёте, благодаря электромагнитным взаимодействиям существует макромир. Если бы оказалось, что масса фотона не была бы равной нулю, или в мире исчезли бы электромагнитные взимодейстия, то макромира бы не было.

Сила электромагнитного взаимодействия называется постоянной альфа, раной 1/37.

2. Сильные взаимодействия

В атоме имеется ядра, размер которого 10 в -13 сантиметра, когда сам атом имеет размер 10 в -8, поэтому атом в основном - пустой. Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые очень плотно упакованы внутри этого ядра. Возникает вопрос: Какие силы действуют между этими протонами и нейтронами, и не позволяют ядру разлететься. Так как внутри ядра есть протоны, положительно заряженные частицы, то казалось бы, за счёт сил отталкивания ядро должно было бы разлететься, однако этого не происходит, поскольку и между протонами, и между нейтронами действуют очень большие силы притяжения, превосходящие силы электромагнитного отталкивания. Эти силы называются силами сильного взаимодействия. В отличие от электромагнитного взаимодействия сильное взаимодействие действует только на малых расстояниях в микромире и исчезает на больших расстояниях. Поэтому квантами, или частицами сильного взаимодействия являются частицы с ненулевой массой m не = 0. Для объяснения этих сил японский учёный Хидеки Юкава предложил особую теорию, которая выглядит следующим образом - рассмотрим внутри ядра две частицы - нейтрон и протон.

а) Нейтрон испустил частицу с отрицательным зарядом - "пи минус мезон", тогда сам нейтрон станет протоном.

б) Протон поглощает "пи минус мезон" - тогда протон становится нейтроном.

Эта частица, "пи минус мезон" обладает конечной массой, не равной нулю, это приводит к тому, что протон справа может поймать "пи минус мезон" только тогда, когда он находиться очень близко, если он будет далеко, протон не сможет поймать эту частицу. Поэтому силы, обусловленные обменом этой частицей действуют на маленьком расстоянии и не действуют на больших. Эти частицы как бы играют в мяч, где в качестве мяча выступает "пи мезон". Сила, возникающая между двумя протонами обусловлена обменом нейтральной частицей, (17.1). Возможен так же обмен положительно заряженной частицей, "пи плюс мезоном". Юкава получил нобелевскую премию за свою догадку. Однако, если эти силы всегда являются только силами притяжения, то почему ядру не сжаться в точку? Оказывается , на расстоянии 10 в -14 сантиметра между протонами и нейтронами возникают силы отталкивания, которые препятствую сжатию ядра в точку. Эти силы отталкивания то же являются силами короткодейстия и исчезают на расстоянии большем или равном 10 в -13 сантиметров. Эти силы так же объясняются с помощью идеи Юкавы, но вместо "пи мезонов" на расстоянии 10 в -14 см. происходит обмен "Ро мезонами". Отличие "пи мезонов" от "Ро мезонов" состоит в том. что у них больше масса, и у "пи мезонов" спин равен 0, а у "Ро мезонов" спин равен 1. Большая масса Ро мезонов приводит к тому, что сила, обусловленная ими действует на меньших рассояниях.

При столкновениях элементарных частиц в ускорителях происходят такие реакции:

КСЕ, лекция 17, часть 2

Протон+Протон=Протон+протон+"пи минус мезон"+"пи плюс мезон".

Все эти частицы необходимы для устойчивости атомного ядра, поскольку они играют важную роль в сильном взаимодействии.

В сороковые годы 20-го века, когда люди научились строить мощные ускорители элементарных частиц, стали открывать много новых элементарных частиц, например "ка мезоны".

Элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях называются адроны. Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях называются лептоны.

Лептонами являются электрон и нейтрино электронный, мю мезон и нейтрино мионный, таллон, и нейтрино талонный - всего шесть частиц. Этим частицам соответствуют их их античастицы, которых тоже 6.

Адроны различаются на Барионы и Мезоны. Барионы обладают спином равным Ѕ и большой массой. Мезоны более лёгкие, чем барионы, обладают спином равном 0 и спином равным 1. И Барионы и мезоны могут обладать электрическим зарядом, но Барионы, в отличие от мезонов, обладают особым зарядом, который сохраняется как и электрический заряд во всех взаимодействиях. Этот заряд называется барионным или ядерным зарядом. Примером Барионов является нейтроны и протоны. Их барионный или ядерный заряд равен "+1". Барионный заряд антипротона и антинейтрона равен "-1". Силы, действующие между барионами обусловлены обменом мезонами. Силы сильного взаимодействия характеризуются постоянной сильного взаимодействия gs, приближённо равной 14,5. Кроме нейтронов и протонов в опытах с ускорителями были обнаружены новые частицы - Гиперонами. Они обладают особым зарядом, который называется странность. Этот заряд сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется при распадах этих частиц. Странность обнаружена и у некоторых мезонов - например, у ка мезонов.

Кварки и взаимодействие между ними.

В конце 60х годов 20-ого века, когда научились строить более мощные ускорители, и с помощью этих ускорителей стали получать информацию о процессах на расстоянии 10 в -15 см, то выяснилось, что протоны и нейтроны состоят из каких-то других частиц, так что протон состоит из трёх частиц, и нейтрон тоже из трёх частиц. Эти частицы были названы кварками. Необычным свойством этих частиц, отличающих их от всего остального является то, что не одно из них нельзя выбить изнутри нейтрона или протона, и наблюдать в свободном состоянии. Это свойство кварков объясняется тем, что силы, действующие между ними увеличиваются с увеличением расстояния. При уменьшении же расстояния между ними они стремятся к 0.

Это свойство называется конфайнмент, или кварковая тюрьма а асимптотическая свобода. Конфайнмент означает, что кварки обречены находиться внутри протона и нейтрона подобно арестанту в тюрьме. Асимптотическая свобода означает, что эти арестанты могут двигаться внутри своей камеры как им заблагорассудиться. Они даже не могут натолкнуться друг на друга. Сила между кварками, обладающих столь необычными свойствами, переносятся особыми частицами, которые называются глюонами. Глюоны - частицы с спином 1 и массой равной 0, и особым свойством является "цвет". Имеется восемь глюонов, каждому из которых соответствовать совой цвет. Глюоны, в отличии от фотона, кванта электромагнитного поля, взаимодействую сильно друг с другом, и эта сила столь велика, что они, как и кварки, не могут вырваться изнутри протона. Вначале думали, что имеется только три кварка, но на самом деле их шесть. Эти кварки называются U,d,s,c,b,t.S-кварк - странный,c-кварк - очарованный,b-кварк - красивый,t-квак - высокий. Протон состоит из двухU-кварках и одногоd-кварка. Электрический зарядd-кварка равен -1/3, аU-кварка +2/3. Все адроны составлены из кварков.

Ксе, лекция 18

Протоны и нейтроны состоят из кварков, а мезоны - из кварка и антикварка.

Недавно в 2003 году была открыта новая частица, состоящая из пяти кварков - пентакварк. Эта частица была предсказана Дьяконовым.

Слабое взаимодействие

В Микромире есть ещё один тип сил - силы слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие называется слабым, потому что оно обусловлено маленькой фундаментальной постоянной, равной 10 в 5 степени, умноженной на массу протона в -2 степени. Слабое взаимодействие взывает различные распады элементарных частиц и атомных ядер, например бета-распад (18.1). Внутри атомного ядра нейтрон не всегда распадается, что обусловлено принципом Паули.

Можно задать вопрос - зачем природе нужны слабые взаимодействия? Если б не было электромагнитное взаимодействия, то не было бы ни атомов, ни молекул, ни микромира, а значит не было бы и человека. Если б не было сильных взаимодействий, то небыло бы атомных ядер, всё бы разлетелось на элементарных частиц, и последствия были бы такие же.

Эти три реакции называются реакцией термоядерного синтеза. Именно за счёт этих реакций, которые идут внутри Солнца, Солнце горит и излучает энергию. Эти реакции были предсказаны немецким физиком Гансом Бете в 30-е годы. В 50-е годы в США и СССр была создана водородная бомба, при взрыве которой удалось реализовать эту реакцию. Самый мощный взрыв - взрыв водородной бомбы, созданной Сахаровым, в СССР. Курчатов, возглавлявший проект водородной бомбы, сказал Сахарову: "Ты спас Россию". Человечеству удалось запустить реакцию, происходящую внутри Солнца, никогда не происходившую на Земле. Американский журналист Лоренс писал: "В двадцатом веке мы наблюдали второе пришествие Прометея, в течение десятков тысяч лет Прометей был приковано, и на этот раз он принёс огонь, которым зажигают звёзды".

Звёзды горят благодаря слабым взаимодействиям, если бы в природе не было бы слабых взаимодействий, то не было бы звёзд и Солнца. Звёзды и Солнце состоят в основном из водорода и гелия. Так как из современной космологии мы знаем, что было время, когда не было ни звёзд, ни планет, а была лишь плазма из элементарных частиц. Звёзды образовались потом. В результате ядерной реакции в центре звёзд из водорода и гелия образовались более сложные атомные ядра, и а конечном счёте атомные ядра углерода. Затем образовались более тяжёлые ядра - ядра железа, Никеля и т.д., вплоть до Урана. Затем, под действием слабых взаимодействий некоторые из этих звёзд взорвались. Такие взрывы звёзд назывались вспышки сверхновых. Тяжёлые элементы, созданные внутри звёзд, были выброшены в космическое пространство. Из них образовались планеты, и на одной из этих планет, которая называется Земля, на основе углерода возникла биологическая эволюция и появился человек. По этому сверхновые звёзды это фабрики тяжёлых элементов, фабрики на которых производится углерод и, в конечном счёте, создаётся человек. Поэтому, современный человек, когда смотрит на звёздное небо, смотрит на место своего очень далёкого детства - все мы когда-то были там внутри. Если бы не было слабых взаимодействий.

Мегамир

Солнечная система

Мегамир - Солнечная система, звёзды, галактики. Вторая половина 20-го века ознаменовалась выходом человечества в космос. В 1957 году был запущен в Советском Союзе первый искусственный спутник Земли, а в 1961 году произошёл полёт Юрия Гагарина - первого человека, вышедшего в Космос. После этого началось систематическое изучение ближайшего к Земле космоса. Были запущены аппараты Луна и Аполлон. Соединённые штаты в 1969 году запустили аппарат Аполлон 11, 21 июля 1969 года Нейл Армстронг был первым человеком, который ступил на поверхность Луны, вторым человеком был астронавт Олдрин. Тем самым в конце 20-ого века осуществилась мечта человечества, описанная в разного рода научно-фантастических романах о выходе в космос и высадке на Луну. После экспедиции Апполона 11 было ещё шесть экспедиций, из которых пять было удачными, а экспедиция Аполлона 13 чуть не закончилось трагически. Дело в том, что при подлёте к Луне в Аппарате Аполлон 13 произошел взрыв, выключился свет, перестала нормально работать система обогрева. Было неясно, работает ли у них главный двигатель. К счастью, маршевый двигатель не вышел из строя, и они смогли вернуться на Землю, но система торможения у них не работала, на Земле была выработана программа возвращения на землю, согласно которой Аполлон 13 вошёл в атмосферу под определённым углом и не сгорел при входе в атмосферу. Одна из наиболее интересных экспедиций - доставка автомобиля на Луну, с приборами для обнаружения Лунатресения. С тех пор исследование Луны прекратилось.

На ряду с исследованием Луны, проводились исследования близлежащий планет - исследование Венеры, куда было запущено несколько аппаратов из СССР. Один из них туда сел - на ней абсолютно темно, и температура там около 200 градусов. Марс исследовался с помощью советских и американских аппаратов. Атмосфера Марса на 95% состоит из углекислого газа, а кислорода там крайне мало. То, что с Земли выглядело как каналы на Марсе, оказалось горными цепями и каньонами. Никаких признаков жизни на марсе пока не обнаружено, хотя условия на Марсе по температуре достаточно близки к земным, например, на экваторе днём бывает около 17 градусов. Были запущены аппараты "Маринер" и "Пионер" к другим планетам Солнечной системы. Один и из "пионеров" покинул Солнечную систему и летит к ближайшей звезде - Альфе Центавре.

Основные планеты солнечной системы (в порядке от Солнца) - Меркурий, Венера, Земля, Марс, Пояс астероидов, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Планеты различаются на планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля, Марс и Плутон. Тяжелые планеты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Планеты земной группы состоят из твёрдого вещества, в котором содержится большое количество кремния, а так же железа и металлов. Тяжёлые планеты похожи на большие капли жидкости, в значительной степени замёршие. Об этом мы знаем, например, по вращению Юпитера. Дело в том, что сутки на Юпитере на экваторе длится около 519 часов, а в более высоких широтах день длится дольше. Это происходит от того, что когда капля вращается, то скорости движения её поверхности разные. Поверхность Меркурия похожа на поверхность Луны и покрыта кратерами. У Меркурия нет атмосферы, как и у Луны. Меркурий вращается вокруг Солнца так же, как Луна вращается вокруг Земли - одной стороной. На стороне, повёрнутой к Солнцу очень жарко - 200-300 градусов, а на другой стороне - тень и почти абсолютный ноль. Венера - её атмосфера на 96% состоит из углерода, на ней есть горы, самая высокая - гора Максвелла, имеет высоту 17 км Следующая планета Земля. Она имеет спутник - Луну, Луна повёрнута к Земле только одной стороной. Высадка астронавтов происходила с нашей стороны.