Тайны вселенной. Симметрия и взаимодействия

Чт, 07/25/2013 - 21:10

Однако механика Ньютона ничего не говорит о происхождении сил, вызывающих ускорение объекта. На первый взгляд кажется, что эти силы многочисленны и разнообразны. Возьмем, к примеру, напор ветра или набегающий напор воды, непрерывное давление расширяющегося металла при нагреве, мощный выброс взрывающихся химических веществ, тянущее усилие растянутого резинового жгута, вес тяжелых объектов и так далее. Одни силы действуют непосредственно при контакте с объектом (усилие, передаваемое стреле натянутой тетивой), другие (например, гравитация) действуют на расстоянии, через пустое пространство.

Несмотря на столь большое разнообразие, все происходящее в природе можно свести всего к четырем фундаментальным взаимодействиям, которые, в конечном счете, отвечают за все в мире, и именно они являются источником всех изменений. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет свои отличия и в то же время сходство с тремя остальными. Изучение их свойств является предварительной ступенью на пути к суперсиле.

Исторически первым предметом научного исследования из четырех фундаментальных взаимодействий стала гравитация (тяготение).

В 1774 году шотландец Невил Маскелин обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением расположенной поблизости горы. В 1797 году Генри Кавендиш поставил знаменитый эксперимент, тщательно измерив едва уловимую силу притяжения между двумя шариками. Это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.

Истинную роль гравитации, как силы природы, удалось в полной мере осознать после появления в XVII веке ньютоновской теории гравитации — закона всемирного тяготения. Ньютоновский закон обратных квадратов стал воплощением “дальнодействующей” природы гравитации.


Галилео Галилей
(15.02.1564 — 8.01.1642)
Итальянский философ, математик, физик, механик и астроном, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Галилей первый использовал телескоп для наблюдения планет и других небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий.
Галилей — основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную метафизику Аристотеля и заложил фундамент научной динамики, позже завершенный Ньютоном.
Известен также активной поддержкой гелиоцентрической системы мира, что привело Галилея к серьезному конфликту с католической церковью

Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника объектах. Гравитация буквально не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, “связывает” звезды в галактики, препятствуя разбеганию звезд в космическом пространстве. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Важная особенность гравитации — ее универсальность. Ничто во Вселенной не избавлено от нее, каждая частица испытывает на себе действие гравитации, к тому же каждая частица сама является источником тяготения.
Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10-39 от силы взаимодействия электрических зарядов. Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая, самая близкая к ядру, орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной!

В мире субатомных частиц гравитация настолько слаба, что физики склонны полностью пренебрегать ею. Она не проявляется ни в одном из наблюдавшихся до сих пор процессов с участием частиц.

Может оказаться удивительным, коль скоро гравитация слаба, как она может оказаться основной силой во Вселенной? Ответ кроется в универсальности гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Поэтому человек ощущает гравитацию в повседневной жизни из-за того, что все атомы Земли сообща притягивают его. Гравитацию следует рассматривать как поле, потому что каждая частица является источником гравитационного поля, окружающего ее невидимым ореолом. Другая частица, находящаяся в этом поле, испытывает на себе действие силы.

Теория гравитации Ньютона, остававшаяся незыблемой на протяжении более 200 лет, была повержена новой физикой, возникшей в первые десятилетия XX века. Долгое время не удавалось объяснить расхождение между предсказаниями теории Ньютона и результатами наблюдений орбиты планеты Меркурий, которая имеет не вполне эллиптическую форму.
Небольшое вращение — прецессия — орбиты обусловлено гравитационным возмущением, вызванным воздействием других планет, но и после учета этих возмущений сохранялось небольшое расхождение — всего 43 угловые секунды в столетие, — которое не могла объяснить теория Ньютона.

Более серьезное затруднение возникло, когда теория Ньютона вошла в противоречие с теорией относительности Эйнштейна. Согласно теории Ньютона гравитационное взаимодействие между двумя объектами передается мгновенно, то есть с исчезновением Солнца траектория Земли мгновенно перестала бы искривляться, хотя Солнце наблюдается еще в течение 8 минут, так как за это время солнечный свет достигает Земли. Согласно теории относительности Эйнштейна невозможно распространение физического сигнала со скоростью выше скорости света, и таким образом она вступает в противоречие с теорией гравитации Ньютона. Теория относительности не только вытеснила закон всемирного тяготения Ньютона, но и в корне изменила сами “идейные” основы понимания гравитации. В новой теории гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства-времени. Объекты вынуждены следовать по искривленным траекториям вовсе не потому, что на них действует гравитация, — просто они движутся кратчайшим, самым “быстрым” путем в искривленном пространстве-времени. По Эйнштейну, гравитация обусловлена просто геометрией. Теория Ньютона пригодна в земной практике, однако она непригодна в тех случаях, когда гравитационные поля достигают большой силы, как вблизи коллапсирующих объектов типа нейтронной звезды или черной дыры. Влияние искривления пространства-времени можно обнаружить даже в умеренных гравитационных полях, например, прецессия орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства, вызванного гравитационным воздействием Солнца.

Электромагнетизм в равной мере известен людям с незапамятных времен, например, вспышки молний. Магнитными силами обусловлена сложная игра света и красок в полярных сияниях.


Кеплер Иоганн
(27.12.1571 — 15.11.1630)
Немецкий астроном, один из творцов астрономии нового времени. Открыл законы движения планет (законы Кеплера), на основе которых составил планетные таблицы (т. н. Рудольфовы). Заложил основы теории затмений. Изобрел телескоп, в котором объектив и окуляр — двояковыпуклые линзы

Считается, что существование электричества впервые установил древнегреческий философ Фалес Милетский. Он заметил, что, если кусок янтаря потереть о шелк или мех, янтарь (с греческого — электрон) обретает способность притягивать мелкие предметы. В средние века это странное явление тщательно изучал придворный медик английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который обнаружил, что способность электризоваться присуща и многим другим веществам, а некоторые из них ведут себя как изоляторы. Французский ученый Шарль Дюфе установил, что существуют две разновидности электрических зарядов, теперь их называют положительными или отрицательными.
Бенджамин Франклин и Майкл Фарадей выяснили, что электрические заряды одного знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются. Кроме того, электрические силы ослабевают с расстоянием в соответствии с законом “обратных квадратов”, который Ньютон вывел ранее для гравитации. Но по величине электрические силы намного превосходят гравитационные. После того, как в 90-е годы XIX столетия Дж. Дж. Томсон открыл “катодные лучи”, было точно установлено существование электрона, и что в нем скрыто электричество, как ранее и предполагал Фарадей.

Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда — своего рода “атому” заряда. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда, например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом отношении электричество отличается от гравитации, так как все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Другие материалы рубрики


  • ...Теперь вы должны быть предельно внимательны. Следующие несколько секунд окажутся решающими, поэтому вы включаете высокоскоростную регистрирующую систему для детальной записи всех приходящих сведений. Через 61 с R3D3 сообщает, что все системы пока функционируют нормально, горизонт - на расстоянии 8000 км и приближается со скоростью 15 тыс. км/с. Проходит 61,6 с. Еще все в порядке, до горизонта осталось 2000 км, скорость - 30 тыс. км/с (или 0,1 скорости света, так что цвет излучения начинает меняться все заметнее). А затем, в течение следующей 0,1 с вы с изумлением замечаете, что излучение из зеленого становится красным, инфракрасным, микроволновым, затем приходят радиоволны и наконец все исчезает. Через 61,7 с все кончено - лазерный луч пропал. R3D3 достиг скорости света и исчез за горизонтом.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Космические фонтаны из водяного льда, пара и смеси других веществ, поднимающиеся над равнинами луны Сатурна, давно интригуют специалистов. Не хотят сходиться уравнения, описывающие энергетику этого мира, столь удаленного от Солнца. Однако все встает на свои места, если учесть новое открытие: волнующая активность Энцелада по геологическим меркам — мимолетный эпизод.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Космологи в замешательстве. Обычно предметы, брошенные вверх, замедляются. Планеты притягивают объекты, звезды притягивают планеты. Это нормально. Но почему тогда Вселенная расширяется? Отдельные галактики, разбросанные после Большого взрыва в разные стороны, должны притягиваться друг ко другу — и расширение должно замедляться. Но того не происходит: они разлетаются друг от друга с ускорением. Принято считать, что виновата во всем темная энергия, хотя она темная именно оттого, что о ней никто ничего не знает. Но уже ясно точно, что на предельно больших расстояниях гравитация превратилась в отталкивающую силу, а не в притягивающую.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Варварские наклонности некоторых звезд иногда возмущают. Пока одни отнимают вещество у ближайших тел, другие поступают еще более нагло и жестоко. Они скидывают со звезд газопылевые диски, которые могли бы дать начало новой планетной системе, а то и новым формам жизни. Но не со всех, а лишь с тех, кто решается переступить опасную черту.



  • В нашей Галактике за пределами Солнечной системы обнаружено несколько сотен планет. Исследовать их проще и дешевле при помощи автоматических зондов сверхмалого размера. Запускать эти аппараты можно с Земли из электромагнитной пушки, а ускорять и корректировать орбиты будут гравитационные поля встречных звезд.
    Полеты к звездам — любимая тема фантастов и авторов компьютерных игр. Лихо носятся их звездолеты на просторах Галактики! Вот только неясно — как и зачем? Но эти вопросы не очень волнуют любознательных читателей: «как» — это придумают инженеры, а уж «зачем» — вообще неприлично спрашивать. Вы только представьте: новые неизведанные миры, братья по разуму... Разве это неинтересно?!
    Но не все фантазии удается воплотить в жизнь. Романтическая эпоха поиска внеземных цивилизаций, рожденная в начале 1960-х успехами космонавтики и радиоастрономии, к концу столетия почти сошла на нет.



  • За последнее время вблизи Земли пролетели несколько сравнительно крупных небесных тел. Сильную тревогу вызвало в 1936 г. прохождение астероида Адонис на расстоянии около 2 млн. км от Земли. А настоящую панику вызвал в 1937 г. астероид Гермес, имеющий диаметр ≈1,5 км, промчавшийся лишь на расстоянии 800 тыс. км от Земли (удвоенное расстояние до Луны). Позже (в 1992 г.) большой ажиотаж был связан с приближением к Земле малой планеты Тоутатис. Астероид диаметром около полукилометра пролетел мимо Земли 19 мая 1996 г. на расстоянии всего 450 тыс. км.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Среди прочих лептонов в 1936 году, среди продуктов взаимодействий космических лучей, был открыт мюон. Он оказался одной из первых известных нестабильных субатомных частиц, которая во всех отношениях, кроме стабильности, напоминает электрон, то есть имеет тот же заряд и спин и участвует в тех же взаимодействиях, но имеет бóльшую массу. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. На долю мюона приходится значительная часть фонового космического излучения, которое регистрируется на поверхности Земли счетчиком Г. Гейгера...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Впервые астрономы обнаружили планету вне нашей Солнечной системы, которая является потенциально пригодной для жизни, с температурами подобными земным, сопоставимыми с Землей массой и размером и, вероятно, жидкой водой на поверхности. Что приятно, потенциально обитаемый мир находится всего в двух десятках световых лет от нас. Когда-нибудь люди туда смогут добраться.
    О сенсационной находке рассказала 25 апреля 2007 года международная группа из 11 астрономов (из Швейцарии, Португалии и Франции), которая работала в Чили, на одном из телескопов Европейской южной обсерватории (ESO). Ученые нашли сходную с Землей планету у звезды Gliese 581 — красного карлика, расположенного в созвездии Весы.
    Планета, получившая имя Gliese 581c, обладает массой примерно в 5 масс Земли. Ее диаметр оценивается в 1,5 диаметра нашей планеты, так что сила тяжести на ее поверхности составляет приблизительно 1,6 g. Из-за этих параметров астрономы окрестили ее также «Суперземлей» (super-Earth).
    Ученые предполагают, что эта планета — скалистый мир, сходный с Землей по облику. Как возможный вариант — это может быть ледяная планета. Но в обоих случаях на ее поверхности должна быть жидкая вода. Причем, в случае с ледяным миром — она может быть покрыта океаном полностью.



  • Давайте вспомним испытание противоспутникового оружия, проведенное 11 января 2007 года Китаем. Почему оно вызвало беспокойство у специалистов космической отрасли? Ведь с 1968-го по 1986-й США и СССР провели свыше 20 таких же испытаний! И с того времени уже было проведено несколько подобных испытаний?! Дело вовсе не в международной безопасности. Или не только в ней.



  • ...Итак, согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигла 1010 К — это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные ядра. Все пространство Вселенной было тогда заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым излучением). Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии минуты температура упала до 108 К, а спустя еще несколько минут — ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4