Цель и задачи дисциплины 3 страница
Исследование явлений интерференции, дифракции, поляризации света, построение электромагнитной теории Максвелла привели к утверждению волновой теории света.
Однако в конце 19 в. и начале 20-го был обнаружен ряд эффектов, которые оказалось невозможным объяснить на основе волновых представлений. Одной из проблем, стоящей перед физиками конца 19-го в., была проблема излучения черного тела, т.е. тела, поглощающего всю падающую на него энергию. Попытки объяснить излучение черного тела и его закономерности были предприняты Вильгельмом Вином (1864-1927) и Джоном Уильямом Рэлеем (1842-1919). Из классической теории следовало, что раскаленное тело с течением времени должно отдавать все больше тепла в окружающее пространство и яркость его свечения должна все больше возрастать («ультрафиолетовая катастрофа»). Проблема излучения черного тела была решена немецким физиком Максом Карлом Эрнстом Людвигом Планком (1858-1947). 14 декабря 1900 г. М. Планк докладывает Берлинскому физическому обществу о своей знаменитой гипотезе и новой формуле излучения. Согласно гипотезе Планка, излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия Е которых определяется частотой n:
E = hn,
где h = 6,63 10-34 Дж · с – постоянная Планка. На основе этой гипотезы удалось полностью объяснить тепловое излучение черного тела.
В 1905 г. А. Эйнштейн на основе предположения о том, что свет не только испускается отдельными порциями, но и поглощается в виде отдельных порций, объяснил все закономерности явления фотоэффекта открытого в 1887 г. Г. Герцем.
|
|
|
Явление фотоэффекта состоит в испускании электронов веществом под действием света. Количественные закономерности фотоэффекта были экспериментально установлены Александром Григорьевичем Столетовым (1839-1896): 1) количество вырываемых с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) пропорционально интенсивности падающего на поверхность тела излучения; 2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности светового излучения; 3) если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты (красная граница фотоэффекта), то фотоэффект не наблюдается; 4) фотоэффект протекает практически мгновенно.
На основе волновой теории удавалось объяснить только первый из четырех законов фотоэффекта.
Итак, в ряде экспериментов свет обнаруживает наряду с волновыми свойствами и свойства частиц – фотонов, обладающих энергией и импульсом. Фотон – частица, обладающая нулевой массой покоя, но имеющая определенную энергию и импульс.
|
|
|
Итак, изучение свойств распространения света и его взаимодействия с веществом привели к корпускулярно-волновому дуализму света: свет способен проявлять как свойства волны, так и свойства частиц. Заметим, что природа света едина (!) - электромагнитная, а свойства его носят двойственный характер.
4. Основные концепции квантовой механики. Строение атомов.
Представление об атомах как мельчайших неделимых частицах вещества возникло во времена античности. Но в средние века идея атомизма не получает признания и только к началу 18 века идеи атомизма вновь приобретают свою популярность. Большой вклад в возрождение теории атомизма был внесен французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794), русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765), английским химиком и физиком Джоном Дальтоном (1766-1844). При этом до конца 19 в. основополагающим утверждением было, что атом есть наименьшая частица простого вещества, предел делимости материи.
По сути, изучение внутреннего строения атомов начинается с 1897 г., когда английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) при исследовании катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах, открыл электрон. Вот что пишет Томсон о своем открытии: «После длительного обсуждения экспериментов оказалось, что мне не избежать следующих заключений:
|
|
|
1. Атомы не неделимы, так как из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием электрических сил, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света и тепла.
2. Эти частицы все одинаковой массы, несут одинаковый заряд отрицательного электричества, от какого бы рода атомов они не происходили, и являются компонентами всех атомов.
3. Масса этих частиц меньше, чем одна тысячная масса атома водорода. Я вначале назвал эти частицы корпускулами, но они теперь называются более подходящим именем «электрон».
На основе своих результатов Томсон предложил свою модель атома. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного вещества, внутрь которого вкраплены электроны. Однако модель Томсона не могла объяснить, открытый к тому времени эффект испускания положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами.
Опыты английского физика Эрнеста Резерфорда (1871-1937) в 1911 г. по исследованию движения альфа-частиц в газах и других веществах привели к созданию планетарной модели атома. Результаты опытов Резерфорд изложил в «Философском журнале» в статье «Рассеяние альфа- и бета-частиц в Веществе и Строение Атома». Согласно модели Резерфорда в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Так как масса электрона ничтожно мала, то почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
|
|
|
Далее было установлено, что чем больше заряд ядра, тем сильнее отклоняются альфа-частицы от прямолинейного пути при прохождении через вещество. Это позволило уточнить формулировку периодического закона Д.И. Менделеева: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости не от атомной массы элементов, а от электрического заряда их ядер. В соответствии с величиной заряда ядер элементы выстраиваются в определенной последовательности.
В свою очередь в модели Резерфорда имелись и существенные недостатки. Согласно классической электродинамике электрон в процессе вращения с центростремительным ускорением должен часть своей энергии терять на излучение и за короткое время упасть на ядро. Спектр излучения атома должен быть непрерывным.
Однако, большинство атомов являются стабильными, устойчивыми системами, а изучение спектров излучения разреженных газов (т.е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что в их излучении представлены только отдельные частоты, т.е. спектр отдельных атомов носит линейчатый, а не непрерывный характер. Атомы вещества испускают свет только в строго определенных, для каждого вещества своих, узких спектральных интервалах.
Недостатки теории Резерфорда частично удалось исправить датскому физику Нильсу Хенрику Давиду Бору (1885-1962). Результаты своих размышлений и расчетов по строению атомов им были опубликованы в 1913 г. Тогда и были сформулированы два знаменитых постулата:
1. В атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением.
2. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.
На основании теории Н. Бора удалось объяснить линейчатый спектр атома водорода, рассчитать радиусы стационарных орбит для электрона в атоме водорода. Однако, на основе теории Бора не удалось построить теорию многоэлектронных атомов. Затруднения были преодолены при построении квантовой механики.
Корпускулярно-волновой дуализм вещества. Развив представления о двойственном поведении электромагнитного излучения французский физик Луи де Бройль (1892-1987) в 1923 г. выдвинул гипотезу о двойственном характере поведения микрочастиц. Согласно этой гипотезе: всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства; в зависимости от внешних условий микрообъекты проявляют либо свойства частиц, либо волновые свойства.
Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм приобретает универсальный характер: не только фотоны, но и электроны и любые другие микрочастицы наряду с корпускулярными обладают и волновыми свойствами.
Экспериментально гипотеза де Бройля была подтверждена в опытах американских физиков Клинтона Джозефа Дэвиссона (1881-1958) и Лестера Халберта Джермера (1896-1971), которые обнаружили явление дифракции электронов на монокристаллах никеля.
Огромный вклад в развитие квантовой механики был внесен немецким физиком Вернером Карлом Гейзенбергом (1901-1976) и австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шредингером (1887-1961). Шредингера можно считать основателем волновой квантовой механики, где описание состояния микрочастицы осуществляется с помощью волновой функции, введенной немецким физиком Максом Борном (1882-1970). Согласно Борну состояние микрообъекта носит вероятностный характер, а квадрат модуля волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в той или иной точке пространства (плотность вероятности). В 1926 г. Шредингер сформулировал основное уравнение квантовой механики, которому подчиняется волновая функция.
Гейзенберг явился основателем матричной квантовой механики. Для описания поведения микрообъектов он использует матричный математический аппарат. Здесь каждой характеристике электрона, микрочастицы: координате, импульсу, энергии и др. ставятся в соответствие определенные матрицы, для которых затем записываются соответствующие уравнения. Матричный подход Гейзенберга нашел широкое применение и в настоящее время именно он в большинстве задач используется для практических вычислений.
Гейзенберг отмечает, что квантово-механические матрицы координаты и импульса не коммутируют друг с другом (не подчиняются перестановочному закону, т.е. АВ ¹ ВА). Это является математическим выражением принципа неопределенностей, сформулированным им в 1927 г.: микрочастица не имеет одновременно точных значений координаты и соответствующей ей проекции импульса, а следовательно, не имеет траектории движения. В частности, электрон в атоме не имеет траектории; вместо непрерывных кривых (стационарные орбиты Бора) есть некоторый дискретный набор чисел (квантовые числа), значения которых зависят от номера начального и конечного состояний электрона.
В 1927 г. Н. Бор формулирует принцип дополнительности: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Так координата и соответствующая ей проекция импульса являются дополнительными друг к другу величинами.
Дальнейшее развитие квантовая теория получает в исследованиях английского физика Поля Дирака. В 1928 г. им была построена релятивистская теория движения электрона на основе применения в квантовой механике основных положений теории относительности. Из теории Дирака вытекал вывод о возможности существования положительно заряженного «электрона». Через 4 года такая частица – позитрон уже была открыта.
С теоретическим исследованием поведения электронов в атомах связаны работы швейцарского физика – теоретика Вольфганга Паули. Он сформулировал один из важнейших принципов теоретической физики – принцип запрета (принцип Паули).
Принцип Паули утверждает, что на одной орбите не может одновременно находиться более двух электронов, при этом спины у электронов должны быть противоположно направлены. В современной формулировке этот принцип звучит так: две тождественные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии. Под спином частицы понимается собственный механический момент импульса частицы, всегда присущий данному виду частиц, определяющий их свойства, обусловленный их квантовой природой. В отличие от классического момента импульса, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только определенные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности, спиновое квантовое число, у одних частиц имеет только целочисленные значения (бозоны), а у других – полуцелые (фермионы). Принцип Паули распространяется только на фермионы, к числу которых принадлежат электрон, протон, нейтрон. Из спиновое квантовое число 1/2.
Принцип Паули позволил объяснить расположение химических элементов в периодической системе и состав атомных ядер.
Классификация элементарных частиц. Представление об атоме как о наименьшей неделимой структурной частице вещества претерпело с конца 19-го века принципиальные изменения.
Прежде всего, был открыт электрон. Его характеристики были определены в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном. Было установлено, что ион водорода, который Резерфорд назвал в 1914 г. протоном, является элементарным носителем положительного заряда. В 1920 г. Резерфордом было предсказано существование нейтрона, который был открыт в 1932 г. В том же году был открыт позитрон.
К настоящему времени открыто несколько сотен элементарных частиц. Естественно, что столь большое число элементарных частиц нуждается в конкретной классификации. Одним из тех, кто взялся за решение задачи классификации элементарных частиц, был Марри Гелл-Манн (р. 1929). В основе классификации элементарных частиц лежит их возможность участвовать в тех или иных видах фундаментальных взаимодействий.
Элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, получили название лептонов. Класс лептонов состоит из шести частиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино) и шести античастиц.
Частицы, которые способны участвовать в сильном взаимодействии, относятся к группе адронов. Адронов очень много. Они состоят из кварков, и все их большое разнообразие можно свести к сочетанию кварков – элементарных частиц с дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3. Класс кварков, как и класс лептонов, состоит из шести частиц и шести античастиц.
Адроны, образуемые комбинациями трех кварков, носят название барионов (протон, нейтрон и др.). Адроны, состоящие из кварка и антикварка, называются мезонами. Кварки не встречаются в свободном состоянии, а образуют связанные соединения (адроны).
К отдельной группе частиц следует отнести частицы – переносчики взаимодействий. Так электромагнитное взаимодействие передается нейтральным фотоном не имеющим массы, что обусловливает большой радиус этого взаимодействия. Переносчики слабого взаимодействия, два промежуточных векторных бозона W± и один нейтральный Z – бозон, обладают большой массой и обеспечивают осуществление слабого взаимодействия только на очень коротких расстояниях.
По времени жизни частицы можно разбить на: 1) стабильные (электрон, протон, фотон, нейтрино); 2) квазистабильные – распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий (нейтрон; 3) нестабильные – распадающиеся вследствие сильного взаимодействия (p-мезоны).
5.Равновесная (классическая) и неравновесная термодинамика.
Классическая термодинамика 19 века занималась изучением тепловых явлений без учета молекулярного строения тел. При этом предметом ее исследований выступали закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.
Основу классической термодинамики составляют несколько постулатов (начал).
Первое начало термодинамики, представляющее собой закон сохранения и превращения энергии, в современной формулировке звучит так: количество теплоты, сообщаемое системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.
Результаты многочисленных наблюдений показывают, что в отличие от механических процессов, тепловые процессы необратимы. Всякая замкнутая система с течением времени стремится перейти в состояние термодинамического равновесия. Достигнув состояния термодинамического равновесия, замкнутая физическая система остается в нем сколь угодно долго. Таким образом, все термодинамические процессы в замкнутых физических системах являются необратимыми и носят направленный характер. Австрийский физик Людвиг Эдуард Больцман (1844-1906) писал следующее: «Когда произвольная система тел будет предоставлена сама себе и не подвержена действию других тел, то всегда может быть указано направление, в котором будет происходить каждое изменение состояния». Направление протекания процессов характеризуется функцией состояния - энтропией, которая неотрицательна, максимальна в состоянии термодинамического равновесия, и отсюда вывод: «всякая замкнутая система тел стремится к определенному состоянию (состоянию термодинамического равновесия), для которого энтропия будет максимум» (второе начало термодинамики).
Л. Больцман дал статистическую интерпретацию второго начала термодинамики и вскрыл его вероятностный характер. Согласно Л. Больцману энтропия характеризует меру хаоса, беспорядка в системе. Наибольшей вероятностью осуществления обладает состояние термодинамического равновесия. При переходе системы из неравновесного состояния в состояние равновесия вероятность состояния возрастает, система переходит от состояния порядка к состоянию хаоса, беспорядка.
Если в равновесной классической термодинамике изучались замкнутые системы, то неравновесная термодинамика изучает процессы в открытых системах, находящихся далеко от равновесного состояния. Исследованием поведения открытых систем занимается синергетика.
Рассмотрим основные свойства открытых систем: 1) реакцию системы на внешние условия; 2) случайный характер поведения системы; 3) наличие переломных точек в развитии системы – точек бифуркации; 4) согласованное поведение всех частей системы, ее когерентность.
Изучение поведения открытых систем позволило прийти к пониманию целого ряда вопросов эволюции в неживой и живой природе. Отметим термодинамический аспект синергетики, открытые системы способны не только поддерживать упорядоченность системы, но и создавать ее из хаоса, беспорядка. Такие системы носят название диссипативных систем. Диссипативные системы рассеивают энергию в окружающую среду, т.е. производят энтропию. В результате этого в системе возникает порядок, а общая энтропия (энтропия системы и окружающей среды) возрастает.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие типы фундаментальных взаимодействий известны?
2. Дайте понятие концепции близкодействия, дальнодействия.
3. Сформулируйте закон сохранения энергии – первое начало термодинамики.
4. Кто разработал теорию электромагнитного поля.
5. Сформулируйте гипотезу Планка.
6. Как Вы понимаете корпускулярно-волновой дуализм света?
7. Какие ученые изучали строение атомов?
8. В чем заключается периодический закон Д.И. Менделеева?
9. В чем заключается корпускулярно-волновой дуализм вещества?
10. Какие ученые внесли существенный вклад в развитие квантовой механики.
11. Что такое адроны, лептоны?
12. Что характеризует энтропия?
13. Какие системы называют открытыми?
ТЕСТ
6.1. Радиус действия слабого взаимодействия составляет:
а) 10-10 м
б) 10-18 м
в) 10-15 м
6.2. Кому из ученых принадлежит открытие элементарной частицы – «электрон»:
а) Антуану Лавуазье
б) Джозефу Томсону
в) Максу Планку
6.3. Гипотеза о волновых свойствах микрочастиц была выдвинута:
а) Максом Планком
б) Альбертом Эйнштейном
в) Луи де Бройлем
6.4. Принцип дополнительности был сформулирован:
а) Эдвином Гейзенбергом
б) Полем Дираком
в) Нильсом Бором
6.5. Принцип Паули распространяется на:
а) бозоны
б) фермионы
в) те и другие частицы
7. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ
Космология - это учение о Вселенной как целом, которое включает в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области как части Вселенной (Метагалактика). В космологии рассматривается распределение, взаимодействие и движение масс в пространстве, геометрические свойства пространства, превращения энергии во Вселенной.
1. Вселенная по Ньютону и по Эйнштейну
Космология начинает развиваться на строгой научной основе после открытия И. Ньютоном закона Всемирного тяготения. В соответствии с этим законом любые материальные тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Гравитационное взаимодействие согласно теории Ньютона передается от одного тела к другому мгновенно на каком бы расстоянии они не находились друг от друга. Сила тяготения направлена по прямой линии, соединяющей центры масс этих тел. Если тело помещено в поле тяготения нескольких других тел, то сила притяжения, действующая на данное тело, является векторной суммой сил, создаваемых каждым телом.
Согласно ньютоновской теории пространство подчиняется евклидовой геометрии, где кратчайшими расстояниями между двумя точками являются отрезки прямых линий. Пространства и время считаются абсолютными, т.е. их свойства не зависят от материи и ее движения.
Наряду с представлением о евклидовой геометрии трехмерного пространства складывается представление об однородности и изотропности бесконечной Вселенной. Если рассматривать сравнительно небольшие участки пространства, то звезды распределены в них неравномерно. По мере развития астрофизических исследований было обнаружено, что звезды группируются в гигантские скопления - галактики, и что общая картина Вселенной представляется совокупностью отдельных скоплений галактик. Скопления галактик содержат тысячи галактик и их размеры составляют порядка нескольких мегапарсек (Мпк). Один парсек равен 3,1 · 1020 м. Среднее расстояние между скоплениями галактик около 30 Мпк. Таким образом, в масштабах примерно 30 Мпк. Вселенная является неоднородной, здесь имеются отдельные структурные элементы, распределенные в пространстве неравномерным образом. В масштабах порядка 1000 Мпк. Содержится примерно одинаковое количество скоплений галактик, т.е. в больших масштабах Вселенная приблизительно однородна. Наряду с этим оказывается, что свойства Вселенной одинаковы по всем направлениям, т.е. Вселенная является изотропной. Итак: в больших масштабах Вселенную с большой степенью точности можно считать однородной и изотропной.
Из наблюдений постепенно складывается представление о статичности Вселенной, т.е. неизменности ее строения со временем. В частности на это указывало наблюдаемое постоянство положения звезд и туманностей относительно друг друга. Видимые движения при этом сводились к периодическим движениям планет вокруг Солнца.
В 1905 году была опубликована статья А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся сред», а через год появилась вторая статья «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». В них практически полностью была изложена специальная теория относительности (СТО).
В основе СТО лежат два постулата. Первый постулат СТО – принцип относительности – гласит, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно, действуют одни и те же законы природы. Второй постулат СТО гласит, что скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала. Скорость света является предельной скоростью, ни один из процессов в природе не может иметь скорость, большую, чем скорость света ~ 300 тысяч километров в секунду.
Из постоянства скорости света вытекают относительность расстояний и относительность промежутков времени. Относительность расстояний означает, что размеры быстро движущихся тел сокращаются по сравнению с длиной покоящихся тел и при приближении к скорости света их размеры стремятся к нулю. Относительность промежутков времени заключается в замедлении хода часов в быстродвижущейся системе по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета.
СТО устанавливает эквивалентность массы и энергии: энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света.
Следующим этапом учения о пространстве и времени явилось создание немецким математиком Г. Минковским в 1908 году математического аппарата СТО. Здесь пространство и время объединяются в единый четырехмерный континуум пространство-время. В одном из своих докладов Г. Минковский сказал: «Отныне пространство само по себе и время само по себе полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий сохраняет самостоятельное существование».
Дальнейшее развитие идеи СТО получили в общей теории относительности (ОТО), которая была создана А. Эйнштейном через одиннадцать лет после СТО. В ОТО рассматривается движение тел в сильных гравитационных полях. Т.к. согласно СТО все взаимодействия в природе распространяются с конечной скоростью, ограниченной скоростью света, то потребовался пересмотр классической теории тяготения Ньютона, предполагавшего, что гравитационное взаимодействие происходит мгновенно.
В основе ОТО лежит принцип эквивалентности, следующий из равенства инерциальной массы, входящей в законы классической механики Ньютона, и гравитационной массы, входящей в закон всемирного тяготения. Принцип эквивалентности утверждает: однородное поле гравитационных сил эквивалентно полю сил инерции в неинерциальной системе отсчета.
Следующим достижением ОТО можно назвать установление связи между гравитацией и геометрией четырехмерного пространства-времени Г. Минковского. Согласно ОТО движение свободной частицы по инерции в поле тяготения происходит по экстремальным линиям (геодезическим) в пространстве-времени, геометрия которого не является евклидовой (криволинейность пространства). Пространство-время оказывается зависящим от движения и распределения материи. В свою очередь, распределение и движение материи зависит от геометрии пространства-времени. Тем самым устанавливается неразрывная связь между пространством-временем и материей.
Итак, в основе определенных моделей Вселенной должны лежать предположения об ее однородности и изотропности в больших масштабах и основные уравнения и положения ОТО о свойствах пространства-времени и его неразрывной связи с движущейся материей.
2. Модель расширяющейся Вселенной
В 1922-1924 годах на основе представлений об однородной, изотропной, бесконечной Вселенной и уравнений ОТО советским математиком А. Фридманом были получены результаты, говорящие о том, что Вселенная должна быть нестационарной. С течением времени она должна либо неограниченно расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать. Как конкретно должны двигаться галактики, будет ли происходить расширение или сжатие? Для ответа на этот вопрос необходимо знать, какова скорость галактик в некоторый момент времени, потом, зная ускорение, даваемое силами тяготения, следует рассчитать, как будут меняться скорости с течением времени. Если задать в некоторый момент времени покой галактик, то в последующие моменты времени галактики начнут сближаться, Вселенная будет сжиматься. Если в начальный момент времени задать скорости галактик так, чтобы они удалялись друг от друга, то мы получим расширяющуюся модель Вселенной, расширение которой тормозится тяготением.
Значения скоростей галактик теория дать не в состоянии. Их можно получить только из наблюдений. Для определения скоростей далеких галактик можно использовать эффект Доплера. Суть этого эффекта заключается в том, что при удалении или приближении источника электромагнитных (или звуковых) волн к приемнику увеличивается или уменьшается длина волны принимаемого излучения - происходит смещение спектральных линий в красную или фиолетовую области спектра. Величина смещения z определяется из соотношения z = (l0- l)/l=v/c, где l0 – длина волы спектральной линии, наблюдаемой в лаборатории, v – скорость объекта, с – скорость света. В 1920-1922 годах американский астрофизик В.М. Слайфер исследовал спектральные линии поглощения около 40 галактик. Им было установлено, что у большинства галактик имеется сравнительно небольшое смещение спектральных линий поглощения химических элементов в красную область. Итак, согласно Слайферу, галактики от нас удаляются. Американским астрономом Э. Хабблом были определены расстояния до ближайших к нам галактик. Измерение расстояний до галактик и результаты исследований Слайфера позволили в 1929 году Э. Хабблу открыть закон (закон Хаббла), согласно которому скорости удаления галактик возрастают по мере возрастания расстояний от нашей Галактики: чем дальше галактика, тем больше скорость ее удаления, т.е.:
v = H R,
где H – постоянная Хаббла. Современные данные по определению постоянной Хаббла приводят к значению близкому к 75 (км/с)/Мпк. Соотношение между скоростью v, с которой галактика удаляется от нас, и расстоянием R до нее не зависит от направления, в котором мы наблюдаем галактики, т.е. эффект разбегания галактик носит изотропный характер, что указывает на изотропный характер расширения Вселенной. Из интерпретации закона Хаббла следует, что в некоторый момент времени в прошлом все расстояния обращались в нуль. Отдельные галактики, звезды и др. не могли существовать как изолированные объекты. Вся материя находилась в состоянии непрерывно распределенного однородного вещества. Это был момент начала расширения Вселенной. Позже, в ходе расширения, вещество распадается на отдельные части, что приводит к образованию отдельных небесных тел.
Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 21; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!