Устройство нашего мира и Вселенной с позиций естествознания

(5)

(знаком [,] обозначена операция векторного умножения, в результате которой получается вектор, направленный в соответствии с правилом правой руки в направлении, перпендикулярном перемножаемым векторам, числено равный ). Например, при движении тела по окружности вектор L направлен вдоль ее оси.

Скорость изменения момента импульса определяется моментом силы (произведением силы на “плечо”):

(6) .

Очевидно, что момент импульса сохраняется во времени в случае отсутствия сил или при условии действия сил в направлении R.

Закон сохранения момента импульса является следствием утверждения о том, что свойства окружающего мира не изменяются при поворотах (или повороте системы отсчета) в пространстве.

Момент импульса системы точечных тел L определяется как сумма моментов каждой из точек и сохраняется во времени при условии равенства нулю момента внешних сил.

В случае твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, все его точки движутся по окружностям, центры которых лежат на этой оси. Полный момент ориентирован вдоль оси вращения. Т.о. при отсутствии внешних воздействий ось вращения тела вместе с L сохраняет свою ориентацию в пространстве. Это свойство используется в навигационных приборах (гирокомпасах).

В случае неравенства нулю момента силы соотношение (6) предсказывает весьма “необычное” с точки зрения “здравого смысла” поведение быстро вращающихся тел ( их момент импульса направлен по оси вращения) с помещенной на острие осью вращения. Такие тела под действием внешних сил (например, силы тяжести) вместо того, чтобы перемещаться в сторону действия силы, начинают медленно вращаться вокруг острия в перпендикулярной приложенной силе плоскости. Несмотря на то, что подобное поведение является непосредственным следствием законов Ньютона (или еще более общих законов сохранения и симметрии), этот эффект часто не только вызывает удивление у лиц, мало знакомых с точными науками, но и дает им повод рассуждать об “ошибочности современного естествознания вообще и классической физики в частности. Основанный на принципе “...если я не понимаю теории или наблюдаемого эффекта, то тем хуже для них...”, к сожалению до сих пор все еще популярен, хотя уже на протяжении нескольких столетий развивающееся естествознание демонстрирует его весьма низкую эвристическую эффективность.

Закон сохранения механической энергии утверждает, что сумма кинетических и потенциальных энергий элементов системы не изменяется во времени при условии, что в системе действуют только потенциальные (консервативные) силы. Этот закон механики является частным случаем более общего закона сохранения энергии, выполняющегося в любой замкнутой (изолированной от внешнего мира) системе. Формулировка закона сохранения энергии обладает меньшей наглядностью по сравнению с законами сохранения импульса и момента, поскольку для понятия энергии по-видимому невозможно дать исчерпывающего определения даже в рамках классического естествознания. При взаимодействиях между телами энергия может переходить из одной формы в другую и описываться совершенно непохожими друг на друга математическими выражениями. В результате развития естествознания неоднократно открывались новые формы энергии, смысл этого понятия уточнялся.

Первоначально в механике были введены кинетическая энергия (обусловленная движением тела)

(7) ,

и потенциальная (обусловленная взаимодействиями между телами и зависящая от их расположения в пространстве) - U(R). Конкретное математическое выражение для U(R) определяется взаимодействиями между объектами. В большинстве механических систем механическая энергия (сумма K+U) сохраняется во времени (напр. в случае мяча, упруго ударяющегося о пол). Однако нередки и такие системы, в которых механическая энергия изменяется (чаще всего убывает). Для описания этого были введены диссипативные силы (напр. силы вязкого и сухого трения и др.). Со временем выяснилось, что диссипативные силы описывают не исчезновение или возникновение механической энергии, а переходы ее в другие формы (тепловую, электромагнитную, энергию связи и т.д.). История развития естествознания знает несколько примеров того, как кажущееся нарушение закона сохранения энергии стимулировало поиск ранее неизвестных каналов ее преобразования, что в результате приводило к открытию ее новых форм (так, например, “безвозвратная” потеря энергии в некоторых реакциях с участием элементарных частиц послужила указанием на существование еще одной неизвестной ранее элементарной частицы, впоследствии получившей название нейтрино).

Закон сохранения энергии имеет большое практическое значение, поскольку существенно ограничивает число возможных каналов эволюции системы без ее детального анализа. Так на основании этого закона оказывается возможным априорно отвергнуть любой весьма проект весьма экономически привлекательного вечного двигателя первого рода (устройства, способного совершать работу, превосходящую необходимые для его функционирования затраты энергии).

Обсуждение смысла оставшихся глобальных законов сохранения требует уяснения менее широко известных концепций современной физики и будет осуществлено ниже в соответствующих разделах настоящего курса.

Вселенная

Микромир: 10^-15 см и 10^-22 сек

Макромир: 10²⁸ см и 10¹⁰ лет

10²⁸ см - «горизонт событий». Этим состоянием ограничивается распространение физических импульсов.

Световой год - расстояние, которое свет пройдёт за 1 год (10 000 млрд. км)

Астрономическая единица (а.е.) - диаметр земной орбиты (1,496х10¹¹ км)

Парсек (паралакс секунда) - расстояние, на котором 1 перпендикулярный углу зрения метр равен 1 секунде угла.

Наша галактика - Млечный Путь (150 млрд. звёзд). Ближайшие к нам галактики - 2 Магеллановых облака в Туманности Андромеды находятся в 720 000 парсек от нас.

Наше Солнце находится в 8000 парсек от ядра галактики. Ядро галактики является очень мощным источником радиоизлучения.

Диаметр галактики - 40000 парсек.

До ближайшей звезды от нас 4,1х10¹³ км

Диаметр Солнца - 1,5х10⁶ км

Вероятность столкновения галактик выше, чем столкновения звёзд. Средняя плотность галактик в наблюдаемой части вселенной - 3 галактики на 1 млрд. куб. парсек. Среднее расстояние между галактиками - 700 000 парсек. Средняя скорость движения галактик - 1000 км/с. Время, за которое галактика пройдёт расстояние в 720 000 парсек - 1 млрд. лет. Одно столкновение в 10¹³ лет. Возраст Вселенной - 10¹³ лет.

Толщина центральной части галактики - 5000 парсек.

У ядра галактики концентрация галактического вещества составляет 95%, по краям - 5%. Вокруг - сферическая составляющая, где шаровые скопления звёзд и большая концентрация вещества (1 звезда на 2 куб. парсек). У ядра - до миллиарда звёзд. Диаметр ядра под углом 9^о - 4000 световых лет.

В 1934г. Хаббл подсчитал, что на 1 кв. градус Вселенной приходится 131 галактика со светимостью звёзд = 20.

В небесной сфере 41253 градуса, 6 млн. галактик в небесной сфере.

В 1929г. Хаббл обнаружил, что свет, который приходит от дальних звёзд, смещается в сторону красных длин волн, т.е. уменьшается по частоте, т.е. длина волны увеличивается. Этот эффект называется «красное смещение».

Эффект Доплера - при движении от/к наблюдателю у него меняется частота. При отдалении частота уменьшается. «Красное смещение» объяснило феномен разлёта галактик. Скорость улёта ? половина скорость света, но, чем дальше галактика, тем быстрее она улетает.

В 1965 г. Вильсоном и Пензиасом было обнаружено фоновое излучение галактик. Шкловский назвал это «реликтовое излучение», т.е. то излучение, которое дошло до нас с того момента, когда образовалась Вселенная в результате Большого Взрыва. За это открытие в 1967 г. они получили Нобелевскую премию. Реликтовое излучение изотропно и однородно. Изотропность означает независимость свойств от направления.

парадокс Олберса - если бы Вселенная была бесконечна, то свет от далёких галактик дошёл бы до нас, и небо было бы всё время светлое.

Парадокс Зеелигера - если бы Вселенная была бесконечна, то гравитационные силы были бы очень большими.

В 1922-23гг. Фридман сформулировал модель расширения Вселенной на основе теории Эйнштейна.

с_крит = 10^-29 г/см³ (плотность)

1. пространство эвклидово и не изменяется

2. если с меньше, то Вселенная расширяется

3. если с больше, то тогда пространство замкнутое. Сначала расширяется, а, дойдя, до определённой точки, сжимается.

В настоящее время по одной из гипотез с_крит = 10^-21 г/см³

18 млрд. лет назад именно в микромире произошло зарождение Вселенной. Там действовали квантовые эффекты. Размеры были микроскопичны, а плотность и температура - гигантскими - сингулярное состояние Вселенной.

3 этапа модели Большого Взрыва:

1. этап элементарных частиц: этап тяжёлых частиц и мезонов.

после взрыва t = 10^-4 сек.

с > 10¹⁴ г/см³

Т = 10¹² К

2. лептонная эра: роль играют лёгкие частицы

t = 10 сек.

с > 10⁴ г/см³

Т > 10¹⁰ К

3. эра радиации

t > 10 сек.

с < 10⁴ г/см³

Т > 3000 К

4. промежуточный этап

t > 1 млн. лет

с < 10^-21 г/см³

Т ? 3000 К

Вселенная по виду сетчатая сотовая, где галактики расположены в углах 6-гранника, а внутри - пустота.

Строение и форма Земли

Земля имеет форму эллипса, который вращается вокруг малой оси. Фигура, которая наиболее похода на форму Земли, называется геоид.

Большая полуось Земли - 6378160м. Малая полуось - 6356912м.

Скорость вращения Земли вокруг Солнца - 20,2 км/с.

На средних широтах скорость вращения Земли вокруг своей оси - 250 м/с.

Процессия - вращение оси, период процессии - 24000 лет.

Ежегодное отклонение земной оси - 50 угловых секунд.

Амплитуда кивания оси - 9 угловых секунд. Этот процесс называется нутация. период кивания - 19 лет.

масса Земли - 6х10²⁴ кг.

Средняя плотность: с = 5500кг/м³

Самая глубокая скважина в Земле - 15 км - была пробурена для определения строения Земли. Другой способ определения строения Земли - акустические волны.

Продольные волны (звук) - 8 км/с.

Поперечные волны (свет) - 4 км/с.

Волны не проходят Землю насквозь, что говорит о том, что Земля неоднородна, т.е внутри она состоит из твёрдой и жидкой фазы.

Геосферные оболочки:

1. (жидкая) мантия

2. (твёрдая) кора (толщина - до 70 км под материками, 5-10 км под океанами)

3. (твёрдое) ядро

Мантия делится на 3 части двумя разделами Мохоровичича.

Верхняя - 400 км от поверхности

Нижняя - 2900 км.

Внешнее жидкое ядро - 4000 км.

Давление на глубине 4000 км > 500 000 атм.

Жидкое ядро состоит из железа, никеля, кремния и различных окисей.

На глубине 5000 находится твёрдое ядро. Его химический состав идентичен внешнему ядру.

Литосфера - земная кора, верхняя мантия и 1-й раздел Мохоровичича.

Астеносфера - верхняя часть средней мантии.

Атмосфера - на земной корой.

Гидросфера - область океаном, морей и рек.

Магнитосфера - магнитное поле Земли.

Сферы:

1. внутреннее ядро

2. внешнее ядро

3. нижняя мантия

4. раздел 2

5. средняя мантия

6. раздел 1

7. верхняя мантия

8. астеносфера

9. нижний слой литосферы

10. раздел Мохоровичича

11. земная кора (верхний слой литосферы)

12. гидросфера

13. атмосфера

14. магнитосфера

Элементы с ядрами, содержащими 2, 8 ,20, 50, 82, 126 протонов и нейтронов, наиболее устойчивы и наиболее часто встречаются на Земле.

Влияние Земли на пространство - 1,5 млн. км - на этом расстоянии вращаются спутники Земли. На расстоянии 2,6 км притяжение Земли всё ещё больше притяжения Солнца.

естествознание наука взаимодействие вселенная

Эволюция Земли

Фазы:

1. 4,7 млрд. лет. Земля образовывается из газа, космической пыли и планетозималей (сгустки космической пыли). В это же время появляется Луна. Идёт дегазация Земли. Возникает атмосфера, состоящая из углекислоты, метана и аммиака. начинает образовываться гидросфера.

2. 4 - 3,5 млрд. лет. Возникают первые острова. Возникают протоконтиненты из горных пород, содержащих кремний и алюминий.

3. 3,5 - 2,7 млрд. лет. Образовывается ядро Земли. Появляется магнитное поле, которое образует магнитные ловушки, которые захватывают высокоэнергетическое магнитное излучение, которое создаёт предпосылки для формирования бактерий. Продолжается формирование коры.

4. 2,8 - 2,3 млрд. лет. Образуется континент Пангея, который омывается единым океаном Панталасса.

5. 2,2 - 1 млрд. лет. Кора и литосфера охлаждаются, что приводит к распаду Пангеи на блоки, расстояния между которыми заполняются осадками и вулканами. Образуется новый континент Пангея 1. Появляются сине-зелёные водоросли, которые в результате фотосинтеза вырабатывают кислород и обогащают атмосферу.

6. 1,7 млрд. - 650 млн. лет. Распадается Пангея 1, и формируются континенты Гондвана и Лавразия. Идёт нефтеобразование.

Размещено на Allbest