![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Методические рекомендации
- •Вводная лекция 1. Иерархия и взаимосвязь естественных наук
- •Структура физики
- •Наука нового времени
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 2. Структурные уровни, организации материи Происхождение и роль симметрии в природе
- •Симметрия и законы сохранения
- •Действие фундаментальных физических законов на разных уровнях структурной организации материи, их инвариантность и качественное своеобразие для каждого уровня
- •Значение инвариантности как фундамента естествознания. Спонтанное нарушение симметрии
- •Лекция 3. Макромир: динамические закономерности (Механика) Основные понятия механики
- •Три закона Кеплера и гармония мира
- •Развитие классической механики
- •Динамические закономерности. Особенности детерминистской картины мира
- •Детерминизм и науки об обществе (Становление науки об обществе)
- •Лекция 4. Макромир: статистические закономерности
- •Термодинамика
- •Энтропия
- •Обращение времени
- •Статистическая физика и термодинамика
- •«Тепловая смерть» Вселенной
- •Необратимость и механика
- •Объяснение необратимости сложных динамических систем
- •Статистические закономерности
- •Статистические закономерности в общественных науках
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 5. Дискретное и непрерывное Часть и целое
- •Структура
- •Атомистика и холизм
- •Поля и частицы
- •Электродинамика
- •Электромагнитные волны
- •Возникновение и развитие теории электромагнитного поля
- •О принципе дополнительности
- •Квантовая механика и естественные науки
- •Квантовая механика и общественные науки
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 7. Периодическая система химических элементов
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 8. Мегамир: концепции теории относительности Пространство-время
- •Теория относительности
- •Пространство-время и причинность
- •Релятивистская механика
- •Расширение Вселенной и шкала космических расстояний
- •Космологические парадоксы
- •Релятивизм и общественные науки
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 9. Современная астрофизика Космология
- •Мир галактик
- •Нестационарность Вселенной
- •Реликтовое радиоизлучение
- •Химический состав вещества и возраст Метагалактики
- •Релятивистская теория тяготения и космологические решения Фридмана
- •Образование галактик
- •Очень ранняя Вселенная
- •Элементарные частицы и космология
- •Чёрная дыра
- •Модели объединения и большой взрыв
- •Лекция 10. Значение физики как целостного фундамента естествознания Квазичастичный метод
- •Метод объектов – носителей свойств
- •Физика как теоретическая основа естествознания
- •Биология
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 11. Человек и природа Биологическая химия (процессы происходящие в организме человека)
- •Особенности биологического уровня организации материи
- •Принципы эволюции и воспроизводства живых систем
- •Экология и здоровье
- •Биосфера и ноосфера
- •Синергетика
- •Особенность объектов общественных наук с точки зрения математики
- •Контрольные вопросы по дисциплине «концепции современного естествознания»
- •Тестирующая система по дисциплине «концепции современного естествознания»
- •Литература:
- •1.Основная
- •2.Дополнительная
Химический состав вещества и возраст Метагалактики
Разнообразные методы исследования (спектральный анализ Солнца, звёзд и межзвёздной среды, изучение состава первичных космических лучей, химический анализ метеоритов и др.) позволяют оценить космическую распространённость химических элементов. Наиболее распространён простейший элемент – водород. Если распространённость водорода (Н) принять за единицу, то относительное содержание атомов гелия (4Не) составляет ~ 10-1, дейтерия (изотопа водорода) 2D ~ 10-5. Распространённость других элементов еще ниже. Часто распространённость элементов описывают не числом атомов, а их долей в общей массе космического вещества. Тогда, согласно наблюдениям, примерно 75 % массы приходится на водород и около 25 % – на гелий. Вклад других элементов существенно меньше. По современным представлениям, элементы от углерода до железа образуются в недрах звёзд: на спокойной стадии их эволюции как продукт термоядерных реакций, а более тяжёлые элементы – во взрывных процессах типа вспышек сверхновых. Благодаря вспышкам (взрывам) элементы попадают в межзвёздный газ.
Гелий и дейтерий также образуются и сгорают при термоядерных реакциях в звёздах, однако их фактическая распространённость свидетельствует о том, что в основном они имеют космологическое, дозвёздное происхождение.
Среди множества элементов в земных породах и космическом веществе есть радиоактивные элементы, способные к самопроизвольному распаду. Естественно предположить, что радиоактивные элементы начали возникать вместе с образованием звёзд Галактики в процессах звёздного нуклеосинтеза. Учитывая как скорость образования таких элементов, так и скорость их распада, по современному относительному содержанию элементов удаётся оценить возраст Галактики. По данным о радиоактивном распаде элементов он составляет » (11–13) 109 лет. К таким же величинам приводят оценки возраста звёзд на основе теории звёздной эволюции с начальным содержанием гелия (25 %) и водорода (75 %), а также оценки возраста звёздных шаровых скоплений. Последние данные наблюдательной астрономии увеличивают этот возраст до 15 млрд. лет.
Релятивистская теория тяготения и космологические решения Фридмана
Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый четырёхмерный мир – «пространство-время». Следующий шаг был сделан в теории тяготения А. Эйнштейна – общей теории относительности (ОТО). Согласно ОТО, распределение и движение материи заменяют геометрические свойства пространства-времени и, с другой стороны, сами зависят от них.
Важной геометрической характеристикой пространства является его кривизна. Так, сфера представляет собой двухмерное пространство (поверхность) с постоянной, положительной кривизной.
Трехмерные и четырёхмерные искривленные пространства также характеризуются набором величин, описывающих кривизну, причем в разных точках и по разным (двухмерным) направлениям она, вообще говоря, различна и может иметь любой знак. Согласно теории Эйнштейна, гравитационное поле проявляется как искривление пространства-времени. Чем значительнее кривизна пространства-времени, тем сильнее гравитационное поле.
Первую космологическую модель попытался построить Эйнштейн на основе своих уравнений. Он исходил из предположений об однородности и изотропии, наряду с предположением о неизменности свойств космологической модели во времени. Статичность модели достигалась за счёт введения в уравнения Эйнштейна т.н. космологического члена (L-члена), характеризующего действие гипотетических сил отталкивания, способных противостоять силам тяготения. А.А. Фридман показал в 1922 г., что статический мир Эйнштейна является лишь частным решением гравитационных уравнений для однородных и изотропных моделей, а в общем случае решения зависят от времени. Более того, если не вводить L-члена, то решения обязаны быть зависящими от времени. Поскольку эти решения описывают усредненное распределение вещества в Метагалактике, то отсюда следует вывод о её нестационарности. В отсутствие градиентов давления и любых других сил, противостоящих тяготению, статичность системы невозможна. Ее поведение определяется силами притяжения и начальными условиями. Начальные условия могут быть заданы так, что начальное расширение будет либо продолжаться неограниченно долго, либо сменится в конце концов сжатием. Нестационарные решения уравнений Эйнштейна, основанные на постулатах однородности и изотропии, называется фридмановскими решениями или фридмановскими космологическими моделями.
В настоящее время наблюдается расширение Вселенной. Характер дальнейшей эволюции зависит от величины W = r/rс. Если W £ 1, то расширение будет продолжаться неограниченно долго, если W > 1, то оно сменится сжатием. Из подсчётов числа галактик (а также по данным о распространённости дейтерия) следует, что r < rс и W » 0.03 – 0,06. Это значение соответствует открытому миру и неограниченному расширению Метагалактики. Однако во Вселенной могут присутствовать не обнаруженные ещё виды материи, дающие свой вклад в плотность r. На основании всех имеющихся сейчас наблюдательных и теоретических сведений полагают, что W весьма близок к 1. К сожалению, имеющихся наблюдательных данных недостаточно для надёжного определения величины W. Для далёких объектов, наблюдаемых на ранней фазе их развития, существенным является неизвестный фактор эволюции – зависимость светимости от времени. Таким образом, определение параметра W из наблюдений зависит от неизвестного фактора эволюции.
Ограниченность эволюции по времени приводит к понятию возраста Вселенной. Конечность времени, протекшего с момента сингулярности, приводит к существованию т.н. космологического горизонта во Вселенной. Действительно, любые сигналы, распространяющиеся с предельной скоростью, равной скорости света, успевают прийти к наблюдателю к моменту t0 с конечного расстояния. Максимальное расстояние (расстояние до горизонта) определяется тем, что сигнал был испущен при t = 0. Наряду с возрастом t0 теория рассматривает характерный размер, по порядку величины совпадающий с t0, который определяет область пространства, принципиально доступную наблюдениям к моменту времени t0.