Путеводитель по большой картине, фундаментальному физическому закону, окнам пространства и времени, великой войне и чрезвычайно большим числам.

Первое января 7 000 000 000 г. н. э., Анн-Арбор.

Наступивший Новый год - не слишком большой повод для праздника. Нет никого, кто может хотя бы отметить его приход. Поверхность Земли превратилась в неузнаваемую пустошь, дотла выжженную Солнцем. Солнце раздулось безгранично: оно стало настолько огромным, что его раскаленный докрасна диск закрывает дневное небо почти целиком. Меркурий и Венера уже погибли, а теперь разреженные наружные области солнечной атмосферы грозят захватить удаляющуюся орбиту Земли.

Океаны, в которых когда-то зародилась жизнь, испарились давным-давно, превратившись сначала в тяжелое стерилизующее облако водяного пара, а затем полностью растворившись в космическом пространстве. Осталась только бесплодная каменистая поверхность. На ней все еще можно разглядеть слабые следы древних береговых линий, океанских бассейнов и размытые остатки материков. К полудню температура достигает почти трех тысяч градусов по Фаренгейту, и каменистая поверхность начинает плавиться. Экватор уже частично опоясан широким поясом кипящей лавы, которая, остывая, образует тонкую серую корку, пока раздувшееся Солнце еженощно отдыхает за горизонтом.

Та часть поверхности, которая когда-то служила колыбелью для покрытых лесом морен юго-восточного Мичигана, весьма и весьма изменилась за минувшие миллиарды лет. Бывший северо-американский материк давным-давно разделил геологический разлом, протянувшийся от прежнего штата Онтарио до Луизианы; он расколол старую устойчивую платформу материка и сформировал новое морское дно. Закаменевшие и оледеневшие остатки Анн-Арбора покрылись лавой, спустившейся по руслам старых рек с близлежащих вулканов. Впоследствии, когда группа островов размером с Новую Зеландию столкнулась с береговой линией, в горную цепь вдавились застывшая лава и осадочные породы, скрытые под ней.

Теперь поверхность древней скалы ослаблена нестерпимым жаром Солнца. Каменная глыба раскалывается, вызывая оползень и выставляя на обозрение идеально сохранившийся отпечаток дубового листа. Этот след некогда зеленого мира, теперь столь далекого, медленно исчезает, тая в неумолимом огне. Совсем скоро вся Земля будет объята зловещим красным пламенем.

Такая картина гибели Земли списана не с первых страниц сценария второсортного фантастического фильма; это более или менее реалистичное описание той судьбы, которая ожидает нашу планету, когда Солнце прекратит свое существование в виде обычной звезды и расширится, превратившись в красного гиганта. Катастрофическое плавление поверхности Земли - всего лишь одно из великого множества событий, час которых пробьет, когда состарится Вселенная и ее содержимое.

Сейчас наша Вселенная, возраст которой оценивается в десять-пятнадцать миллиардов лет, все еще переживает пору своей юности. Так что многие астрономические возможности, представляющие больший интерес, еще попросту не успели проявить себя. Однако по мере приближения отдаленного будущего Вселенная будет постепенно меняться, превращаясь в арену, на которой развернется великое многообразие поразительных астрофизических процессов. В этой книге биография Вселенной рассказана от начала до конца. Это история о том, как знакомые нам звезды ночного неба постепенно превращаются в странные замерзшие звезды, испаряющиеся черные дыры и атомы величиной с Галактику. Это научный взгляд на лик вечности.

Биография нашей Вселенной и изучение астрофизики вообще разворачивается в четырех важных масштабах - на уровне планет, звезд, галактик и Вселенной в целом. Каждый из них предоставляет свой тип окна для наблюдения за свойствами и эволюцией природы. На каждом из этих уровней астрофизические объекты проходят все жизненные циклы, начиная с образования - события, аналогичного рождению, и - нередко заканчивая весьма специфичным финалом, подобным смерти. Смерть может быть быстрой и неистовой; например, массивная звезда завершает свою эволюцию эффектной вспышкой сверхновой. Другой альтернативой является мучительно медленная гибель, уготованная тусклым красным карликам, которые постепенно угасают, превращаясь в белых карликов - остывающие угольки некогда мощных и активных звезд.

В наиболее крупном масштабе мы можем рассматривать Вселенную как единый развивающийся организм и изучать цикл ее жизни. В этой области действия космологии за последние несколько десятилетий произошел значительный научный прогресс. Вселенная расширялась с момента зарождения в сильнейшем взрыве - том самом Большом взрыве. Теория Большого взрыва описывает последующую эволюцию Вселенной за последние десять-пятнадцать миллиардов лет, причем ей удалось потрясающе успешно объяснить природу нашей Вселенной по мере ее расширения и охлаждения.

Ключевым является вопрос о том, будет ли Вселенная расширяться вечно или в какой-то момент будущего расширение прекратится и произойдет повторное сжатие. Текущие результаты астрономических наблюдений убедительно свидетельствуют в пользу того, что нашей Вселенной на роду написано непрерывно расширяться, поэтому большая часть нашего повествования следует именно этому сценарию. Тем не менее мы решили вкратце изложить следствия второго возможного варианта развития событий - ужасной гибели Вселенной в повторном горячем сжатии.

Ниже необъятных просторов космологии, на меньшем уровне, следуют галактики, например наш Млечный Путь. Галактики представляют собой большие и довольно разреженные скопления звезд, газа и других разновидностей вещества. Галактики не разбросаны по Вселенной произвольно; они, скорее, вплетены в общий гобелен космоса гравитацией. Некоторые группы галактик настолько тяжелы, что остаются вместе под действием гравитационных сил, и эти скопления галактик можно считать независимыми астрофизическими объектами. Помимо принадлежности к скоплениям, галактики произвольным образом объединяются, образуя еще более крупные структуры, напоминающие нити, листы и стены. Совокупность узоров, образуемых; галактиками на этом уровне, называют крупномасштабной структурой Вселенной.

В галактиках содержится большая доля обычного вещества Вселенной; эти звездные системы четко отделены друг от друга, даже в пределах скоплений. Это разделение настолько выражено, что когда-то галактики называли «островами Вселенной». Кроме того, галактики играют крайне важную роль маркеров положений пространства-времени. Наша Вселенная непрерывно расширяется, и галактики, подобно маякам в пустоте, позволяют нам наблюдать это расширение.

Крайне сложно постичь безбрежную пустоту нашей Вселенной. Типичная галактика заполняет лишь около одной миллионной всего объема космического пространства, в котором она содержится, да и сами галактики крайне разрежены. Если бы вы собрались отправиться на космическом корабле в некоторую случайную точку Вселенной, вероятность приземления вашего корабля в пределах какой-нибудь галактики в настоящее время составляет примерно одну миллионную. Это уже не слишком много, а в будущем эта величина станет еще меньше, потому что Вселенная расширяется, а галактики - нет. Отлученные от общего расширения Вселенной, галактики существуют в относительной изоляции. В них обитает большинство звезд Вселенной, а следовательно, и большинство планет. В результате множество интересных физических процессов, имеющих место во Вселенной, - от звездной эволюции до развития жизни - происходят именно в галактиках.

Не слишком густо населяя пространство, сами галактики тоже большей частью пусты. И хотя они содержат миллиарды звезд, лишь очень малая часть их объема действительно заполнена звездами. Если бы вы собрались отправиться на космическом корабле в некоторую случайную точку нашей Галактики, вероятность приземления вашего корабля на какой-нибудь звезде чрезвычайно мала, порядка одной миллиард триллионной (один шанс из 10 22). Такая пустота галактик достаточно красноречиво свидетельствует о том, как они развивались и что их ожидает в будущем. Прямые столкновения звезд в галактике происходят крайне редко. Следовательно, пройдет очень много времени - гораздо больше, чем прошло от рождения нашей Вселенной до настоящего момента, - прежде чем столкновения звезд и встречи других астрофизических объектов хоть как-то повлияют на структуру галактики. Как вы увидите, эти столкновения начинают играть все более и более важную роль по мере старения Вселенной.

Однако межзвездное пространство не является абсолютно пустым. Наш Млечный Путь пропитан газом различной плотности и температуры. Средняя плотность - одна частица (один протон) на кубический сантиметр; температура же варьируется от десятиградусной прохлады до кипения в миллион градусов по шкале Кельвина. При низких температурах около одного процента вещества пребывает в твердом состоянии - в виде крошечных каменных пылинок. Эти газ и пыль, заполняющие межзвездное пространство, называют межзвездной средой.

Следующий, еще меньший по размеру, уровень важности образуют сами звезды. В настоящее время краеугольным камнем астрофизики являются обычные звезды - объекты типа нашего Солнца, существующие за счет реакций ядерного синтеза, которые происходят в их недрах. Звезды составляют галактики и генерируют большую часть видимого света во Вселенной. Более того, именно звезды сформировали современный «реестр» нашей Вселенной. Массивные звезды «выковали» почти все тяжелые элементы, оживляющие космос, включая необходимые для жизни углерод и кислород. Именно звезды породили большую часть элементов, составляющих обычное вещество, с которым мы сталкиваемся каждый день: книги, автомобили, бакалейные товары.

Но эти ядерные электростанции не вечны. Реакции ядерного синтеза, благодаря которым в недрах звезд вырабатывается энергия, в конце концов, прекратятся; и произойдет это, как только истощится запас ядерного топлива. Звезды, гораздо более тяжелые, чем наше Солнце, сгорают за относительно короткий промежуток времени в несколько миллионов лет: их жизнь в тысячу раз короче настоящего возраста нашей Вселенной. На противоположном конце диапазона расположились звезды, массы которых гораздо меньше массы нашего Солнца. Такие звезды могут жить триллионы лет - примерно в тысячу раз больше современного возраста нашей Вселенной.

По завершении той части жизни звезды, когда она существует за счет термоядерных реакций, звезда не исчезает бесследно. После себя звезды оставляют экзотические сгустки, называемые звездными остатками. Эту касту вырожденных объектов образуют коричневые карлики, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Как мы увидим, по мере старения Вселенной и исчезновения со сцены обычных звезд эти странные остатки будут играть все более важную, а в конечном итоге, и доминантную роль.

Четвертый, наименьший по размерам, но не по важности, уровень нашего интереса образуют планеты. Существует, по меньшей мере, две их разновидности: относительно маленькие каменистые тела вроде нашей Земли и большие газовые гиганты типа Юпитера и Сатурна. За последние несколько лет в нашем понимании планет произошел необычайный переворот. Впервые в истории на орбитах других звезд были совершенно определенно обнаружены планеты. Теперь нам точно известно, что планеты не являются результатом какого-то редкого или особого события, произошедшего в нашей Солнечной системе, а распространены в галактике достаточно повсеместно. Планеты не играют главной роли в эволюции и динамике Вселенной в целом. Они важны потому, что являются наиболее вероятной средой для возникновения и развития жизни. Таким образом, долгосрочная судьба планет определяет долгосрочную судьбу жизни - по крайней мере, тех ее форм, которые нам знакомы.

Кроме планет, солнечные системы содержат много гораздо более мелких объектов: астероиды, кометы и огромное разнообразие лун. Как и планеты, эти тела не играют значительной роли в течении эволюции Вселенной в целом, но оказывают огромное влияние на эволюцию жизни. Луны, вращающиеся по орбитам планет, предоставляют еще одну возможную среду для возникновения и развития жизни. Известно, что с планетами регулярно сталкиваются кометы и астероиды. Считается, что эти столкновения, способные вызвать глобальные перемены климата и вымирание целых видов живых существ, сыграли важную роль в формировании истории жизни здесь, на Земле.

Природу можно описать с помощью четырех фундаментальных сил, которые, в конечном итоге, управляют динамикой всей Вселенной; это гравитация, электромагнитная сила, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Все эти силы играют важную роль в биографии космоса. Они сделали нашу Вселенную такой, какой мы знаем ее сегодня, и будут править в ней впредь.

Первая из этих сил, гравитационная, наиболее близка к нашей повседневной жизни, причем она самая слабая из четырех. Однако, по причине обширности диапазона ее действия и исключительно притягивающей природы, на достаточно больших расстояниях гравитация доминирует над остальными силами. Благодаря гравитации различные предметы удерживаются на поверхности Земли, а сама Земля остается на орбите, по которой она вращается вокруг Солнца. Гравитация поддерживает существование звезд и управляет процессом образования в них энергии, а также их эволюцией. Наконец, именно гравитация отвечает за образование большинства структур во Вселенной, включая галактики, звезды и планеты.

Вторая сила - электромагнитная; она имеет электрическую и магнитную составляющие. На первый взгляд, они могут показаться различными, однако на фундаментальном уровне это всего лишь два аспекта единой основной силы. Несмотря на то, что внутренне электромагнитная сила намного сильнее гравитационной, на больших расстояниях она оказывает гораздо меньшее действие. Источником электромагнитной силы служат положительные и отрицательные заряды, а во Вселенной, судя по всему, они содержатся в равных количествах. Поскольку силы, созданные зарядами с противоположными знаками, действуют в противоположных направлениях, на больших расстояниях, где содержится много зарядов, электромагнитная сила самоуничтожается. На малых расстояниях, в частности в атомах, электромагнитная сила играет важную роль. Именно она, в конечном итоге, отвечает за строение атомов и молекул, а следовательно, является движущей силой в химических реакциях. На фундаментальном уровне жизнью правят химия и электромагнитная сила.

Электромагнитная сила в целых 10 40 раз сильнее гравитационной. Чтобы постичь эту невероятную слабость гравитации, можно, например, вообразить альтернативную вселенную, в которой нет зарядов, а следовательно, и электромагнитных сил. В такой вселенной совершенно обычные атомы обладали бы экстраординарными свойствами. Если бы электрон и протон связывала одна только гравитация, то атом водорода был бы больше, чем вся видимая часть нашей Вселенной.

Сильное ядерное взаимодействие, наша третья фундаментальная сила природы, отвечает за целостность ядер атомов. Эта сила удерживает протоны и нейтроны в ядре. В. отсутствие сильного взаимодействия ядра атомов взорвались бы в ответ на силы отталкивания, действующие между положительно заряженными протонами. Несмотря на то, что это взаимодействие сильнейшее из четырех, оно действует на чрезвычайно малых расстояниях. Не случайно диапазон действия сильного ядерного взаимодействия приблизительно равен размеру большого атомного ядра: примерно в десять тысяч раз меньше размера атома (порядка десяти ферми или 10 -12 см). Сильное взаимодействие управляет процессом ядерного синтеза, благодаря которому образуется большая часть энергии в звездах, а значит, и во Вселенной в текущую эпоху. Именно из-за большой, по сравнению с электромагнитной силой, величины сильного взаимодействия ядерные реакции гораздо сильнее химических, а именно: в миллион раз в перерасчете на пару частиц.

Четвертая сила, слабое ядерное взаимодействие, вероятно, наиболее удалена от общественного сознания. Это довольно таинственное слабое взаимодействие принимает участие в распаде нейтронов на протоны и электроны, а также играет свою роль в процессе ядерного синтеза, фигурирует в явлении радиоактивности и образовании химических элементов в звездах. Слабое взаимодействие имеет еще более короткий диапазон действия, чем сильное. Однако, несмотря на свою слабость и маленький диапазон действия, слабое взаимодействие играет удивительно важную роль в астрофизике. Существенная доля общей массы Вселенной, скорее всего, состоит из слабо взаимодействующих частиц, другими словами, частиц, которые взаимодействуют друг с другом только посредством слабого взаимодействия и гравитации. В силу того что такие частицы имеют тенденцию взаимодействовать очень продолжительное время, важность их роли постепенно возрастает по мере медленного движения Вселенной в будущее.

На протяжении всей жизни нашей Вселенной в ней постоянно возникает один и тот же вопрос - непрерывная борьба между силой гравитации и стремлением физических систем эволюционировать в сторону более дезорганизованных состояний. Количество беспорядка в физической системе измеряется долей ее энтропии . В наиболее общем смысле, гравитация стремится к удержанию всех составляющих любой системы в пределах этой самой системы, чем и упорядочивает физические структуры. Производство энтропии трудится в противоположном направлении, т. е. пытается сделать физические системы более дезорганизованными и «размазанными». Во взаимодействии этих двух соперничающих тенденций и состоит главная драма астрофизики.

Непосредственным примером этой непрерывной борьбы является наше Солнце. Оно существует в состоянии хрупкого равновесия между действием гравитации и энтропией. Гравитационная сила поддерживает целостность Солнца и притягивает все его вещество к центру. В отсутствие противодействующих ей сил гравитация быстро сжала бы Солнце, превратив его в черную дыру диаметром не больше нескольких километров. Роковому коллапсу препятствуют силы давления, которые действуют в направлении от центра к поверхности, уравновешивая гравитационные силы и тем самым сохраняя Солнце. Давление, препятствующее коллапсу Солнца, возникает, в конечном счете, благодаря энергии ядерных реакций, которые происходят в его недрах. В ходе этих реакций образуются энергия и энтропия, вызывающая хаотические движения частиц в центре Солнца и, в конечном итоге, сохраняющая структуру всего Солнца.

С другой стороны, если бы гравитационная сила каким-то образом выключилась, то Солнце более ничто бы не сдерживало и оно быстро бы расширилось. Это расширение продолжалось бы до тех пор, пока солнечная материя не расползлась бы настолько тонким слоем, что плотность ее сравнялась бы с наименее плотными участками межзвездного пространства. Тогда разреженный призрак Солнца в сто миллионов раз превысил бы свой теперешний размер, растянувшись в диаметре на несколько световых лет.

Благодаря соперничеству двух равных по силе конкурентов, гравитации и энтропии, наше Солнце существует в своем теперешнем состоянии. В случае нарушения этого равновесия, возьмет ли гравитация верх над энтропией или наоборот, Солнце превратится либо в маленькую черную дыру, либо в крайне разреженное газовое облако. Это же положение вещей - равновесие, существующее между гравитацией и энтропией, - определяет строение всех звезд в небе. Звездной эволюцией движет яростное соперничество двух противодействующих тенденций.

Эта же борьба лежит в основе образования всевозможных астрономических структур, включая планеты, звезды, галактики и крупномасштабную структуру Вселенной. Существование этих астрофизических систем, в конечном итоге, обусловлено гравитацией, которая стремится связать вещество. И все же в каждом случае тенденции к гравитационному коллапсу противостоят силы расширения. На всех уровнях непрекращающееся состязание гравитации и энтропии служит гарантом того, что любая победа - явление временное и никогда не бывает абсолютной. Например, образование астрофизических структур никогда не бывает стопроцентно эффективным. Успешно завершившиеся случаи образования таких объектов - всего лишь локальная победа гравитации, тогда как неудавшиеся попытки создать что-либо - триумф беспорядка и энтропии.

Эта великая война между гравитацией и энтропией определяет долгосрочную судьбу и эволюцию астрофизических объектов, таких как звезды и галактики. Например, истощив все свои запасы ядерного топлива, звезда должна соответствующим образом изменить свое внутреннее строение. Гравитация стягивает вещество к центру звезды, тогда как тенденция к увеличению энтропии благоприятствует его рассеиванию. Дальнейшая битва может иметь много разных исходов, которые зависят от массы звезды и других ее свойств (например, скорости вращения звезды). Как мы увидим, эта драма будет разыгрываться снова и снова, пока звездные объекты населяют Вселенную.

Очень эффектным примером непрекращающейся борьбы между силой гравитации и энтропией служит эволюция самой Вселенной. С течением времени Вселенная расширяется и становится более размытой. Этому направлению эволюции противостоит гравитация, стремящаяся собрать расползающееся вещество Вселенной воедино. Если победителем в этой битве окажется гравитация, расширение Вселенной, в конце концов, прекратится и в какой-то момент будущего начнется ее повторное сжатие. С другой стороны, проиграй гравитация эту битву, Вселенная будет расширяться вечно. Какая из этих судеб ожидает нашу Вселенную в будущем - зависит от общего количества массы и энергии, содержащегося во Вселенной.

Законы физики описывают, как Вселенная ведет себя на самых разных расстояниях: от чудовищно больших до ничтожно малых. Высшее достижение человечества - умение объяснить и предсказать, как ведет себя природа в условиях, крайне далеких от нашего повседневного житейского опыта. Столь значительное расширение нашего кругозора произошло, главным образом, в течение прошлого века. Сфера нашего знания протянулась от крупномасштабных структур Вселенной до субатомных частиц. И хотя такая область понимания может показаться большой, нельзя забывать, что обсуждения физического закона невозможно продолжить сколь угодно далеко ни в одном из этих направлений. Наибольший и наименьший масштабы остаются за пределами досягаемости нашего современного научного понимания.

Наше физическое представление наибольших масштабов Вселенной ограничивается причинностью. Информация, находящаяся за пределами некоторого максимального расстояния, попросту не успела дойти до нас за то относительно короткое время, в течение которого существует наша Вселенная. Согласно теории относительности Эйнштейна никакие сигналы, содержащие информацию, не способны передвигаться быстрее скорости света. Таким образом, если принять во внимание, что пока Вселенная прожила всего около десяти миллиардов лет, ни один информационный сигнал просто не имел времени, чтобы преодолеть расстояние, превышающее десять миллиардов световых лет. Именно на этом расстоянии находится граница той Вселенной, которую мы можем исследовать с помощью физики; эту границу причинности часто называют размером космологического) горизонта. Из-за существования этого барьера причинности крайне мало можно узнать о Вселенной на расстояниях, превышающих размер космологического горизонта. Этот размер горизонта зависит от космологического времени. В прошлом, когда Вселенная была гораздо моложе, размер горизонта был, соответственно, меньше. По мере старения Вселенной он продолжает расти.

Космологический горизонт - крайне важное понятие, ограничивающее поле деятельности науки. Как футбольный матч должен проходить в рамках четко определенных границ, так и физические процессы во Вселенной ограничиваются пределами этого горизонта в любое данное время. По сути, существование горизонта причинности приводит к некоторой двусмысленности в отношении того, что же на самом деле означает сам термин «Вселенная». Иногда этот термин относят только к веществу, находящемуся в пределах горизонта в данное время. Однако в будущем горизонт будет расти, а значит, в конце концов, включит в себя вещество, которое в настоящее время находится за его пределами. Является ли это «новое» вещество частью нашей Вселенной сейчас? Ответом может быть и да, и нет в зависимости от определения термина «Вселенная». Аналогично, могут существовать другие области пространства-времени, которые никогда не попадут в рамки нашего космологического горизонта. Ради определенности, мы будем считать, что такие области пространства-времени принадлежат к «другим вселенным».

На самых маленьких расстояниях предсказательная сила физики также ограничена, но по совершенно другой причине. В масштабе менее 10 -33 сантиметров (эта величина носит название длины Планка) пространство-время имеет совсем другую природу, нежели на больших расстояниях. На таких крошечных расстояниях наши традиционные понятия пространства и времени уже не применимы из-за квантово-механических флуктуаций. На данном уровне для описания пространства и времени физика должна одновременно включать как квантовую теорию, так и общую теорию относительности. Квантовая теория предполагает, что на достаточно малых расстояниях природа имеет волновой характер. Например, в обычном веществе электроны, движущиеся по орбите ядра атома, проявляют множество свойств волны. Квантовая теория объясняет эту «волнистость». Общая теория относительности утверждает, что геометрия самого пространства (вместе со временем: на этом фундаментальном уровне пространство и время тесно связаны) изменяется в присутствии больших количеств вещества, создающих сильные гравитационные поля. Однако в настоящий момент мы, к нашему великому сожалению, не располагаем полной теорией, которая объединила бы квантовую механику с общей теорией относительности. Отсутствие такой теории квантовой гравитации весьма существенно ограничивает то, что мы можем сказать о расстояниях, меньших, чем длина Планка. Как мы увидим, это ограничение физики в значительной степени препятствует нашему пониманию самых ранних моментов истории Вселенной.

В этой биографии Вселенной уже минувшие десять миллиардов лет представляют очень незначительный период времени. Мы должны принять серьезный вызов - ввести шкалу времени, описывающую вселенски интересные события, которые, скорее всего, произойдут в течение следующих 10 100 лет.

10 100 - большое число. Если записать его без использования экспоненциального представления, оно будет состоять из единицы со ста нулями и будет иметь вид:

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

Это число 10 100 не только слишком длинно для написания; крайне сложно также точно представить, как безмерно оно велико. Попытки визуально представить число 10 100 , вообразив собрание знакомых предметов, скоро сходят на нет. Например, число песчинок на всех пляжах мира часто приводят в качестве примера непостижимо большого числа. Однако приблизительные оценки свидетельствуют, что общее количество всех песчинок приблизительно равно 10 23 (единица с двадцатью тремя нулями) - большое число, но все равно безнадежно неадекватное для выполнения нашей задачи. Как насчет числа звезд в небе? Число звезд в нашей галактике близко к ста миллиардам - вновь относительно небольшое число. Число звезд во всех галактиках в нашей видимой Вселенной равно примерно 10 22 - тоже слишком мало. Вообще-то, общее число протонов, фундаментальных строительных кирпичиков, из которых состоит материя, во всей видимой Вселенной составляет всего 10 78: даже эта величина в десять миллиардов триллионов раз меньше требуемой! Число лет, отделяющих настоящий момент от вечности, воистину безмерно.

Чтобы описать временные масштабы, связанные с будущей эволюцией Вселенной, и не запутаться окончательно, воспользуемся новой единицей времени, называемой космологической декадой. Если за τ обозначить время в годах, то в экспоненциальном представлении τ можно записать в виде

τ = 10 η лет,

где η - некоторое число. В соответствии с нашим определением экспонента η - это число космологических декад. Например, сейчас Вселенной всего около десяти миллиардов лет, что соответствует 10 10 годам, или η = 10 космологическим декадам. В будущем, когда Вселенной исполнится сто миллиардов лет, это будет 10 11 лет, или η = 11 космологических декад. Значение этой схемы состоит в том, что каждая последующая космологическая декада представляет собой десятикратное увеличение общего возраста Вселенной. Таким образом, концепция космологической декады позволяет нам размышлять о безмерно долгих промежутках времени. Таким образом, вызывающе большое число из нашего примера, число 10 100 , соответствует гораздо более понятной сотой космологической декаде, или η = 100.

Космологические декады можно использовать и при обсуждении очень коротких, но богатых событиями отрезков времени непосредственно после Большого взрыва. В этом случае мы разрешаем космологической декаде иметь отрицательную величину. Благодаря такому расширению один год после Большого взрыва соответствует 10 0 годам, или нулевой космологической декаде. Тогда одна десятая, или 10 -1 , - это космологическая декада -1, одна сотая, или 10 -2 лет, - космологическая декада -2 и т. д. Начало времени, когда произошел сам Большой взрыв, соответствует τ = 0; в терминах космологических декад Большой взрыв произошел в космологическую декаду, соответствующую бесконечности со знаком «минус».

Наше настоящее понимание прошлого и будущего Вселенной можно систематизировать, выделив определенные временные эпохи. По мере перехода Вселенной из одной эпохи в другую ее содержимое и характер меняются весьма значительно, а в некоторых отношениях - почти целиком. Эти эпохи, аналогичные геологическим эпохам, помогают составить общее впечатление о жизни Вселенной. С течением времени ряд естественных астрономических катастроф формирует Вселенную и управляет ее последующей эволюцией. Хроника этой истории может иметь следующий вид.

Первичная эпоха . -50 < η < 5. Эта эпоха включает раннюю фазу истории Вселенной. В то время, когда Вселенной не исполнилось и десяти тысяч лет, основная часть плотности энергии Вселенной существовала в виде излучения, поэтому этот ранний период часто называют эпохой излучения . Еще не успели образоваться никакие астрофизические объекты вроде звезд и галактик.

В эту короткую раннюю эпоху произошли многие важные события, определившие будущий курс развития Вселенной. Легкие элементы, типа гелия и лития, образовались в первые несколько минут этой первичной эпохи. Еще раньше сложные физические процессы вызвали небольшое преобладание обычного барионного вещества над антивеществом. Антивещество почти полностью аннигилировало с большей частью вещества, после чего осталась небольшая доля последнего, из которой и состоит современная Вселенная.

Если стрелки часов перевести на еще более раннее время, наше понимание становится куда менее твердым. В чрезвычайно ранний период, когда Вселенная была неимоверно горячей, судя по всему, произошло следующее: квантовые поля с очень высокой энергией вызвали фантастически быстрое расширение и создали очень малые возмущения плотности в однородной и ничем не примечательной Вселенной. Эти крошечные неоднородности сохранились и выросли в галактики, скопления и крупномасштабные структуры, населяющие современную Вселенную.

Ближе к концу первичной эпохи плотность энергии излучения стала меньше плотности энергии, связанной с веществом. Этот переход произошел, когда Вселенной было около десяти тысяч лет. Вскоре после этого произошло еще одно переломное событие: температура Вселенной стала достаточно низкой, чтобы позволить существование атомов (точнее говоря, атомов водорода). Первое появление нейтральных атомов водорода носит название рекомбинации . После рекомбинации возмущения плотности вещества во Вселенной позволили ему образовать комки, не подверженные действию вездесущего радиационного моря. Впервые начали формироваться знакомые нам астрофизические объекты вроде галактик и звезд.

Эпоха звезд . 6 < η < 14. Такое название обусловлено наличием звезд. В эту эпоху большая часть энергии, образующейся во Вселенной, возникает в результате реакций ядерного синтеза, которые происходят в обычных звездах. Мы живем в середине эпохи звезд - в то время, когда звезды активно рождаются, живут и умирают.

В самый ранний период эпохи звезд, когда Вселенной было всего несколько миллионов лет, родилось первое поколение звезд. В первый миллиард лет возникли первые галактики, и начались их объединения в скопления и сверхскопления.

Многие вновь появившиеся галактики переживают бурные фазы высоких энергий из-за всепожирающих черных дыр, расположенных в их центрах. Когда черные дыры разрывают звезды и окружают себя вихреподобными дисками горячего газа, высвобождаются огромные количества энергии. С течением времени эти квазары и активные ядра галактик медленно умирают.

В будущем, ближе к концу эпохи звезд, ключевую роль сыграют самые обычные звезды Вселенной - звезды с низкой массой, которые называют красными карликами. Красные карлики - это звезды, масса которых не превышает половины массы Солнца, но их так много, что их совокупная масса, бесспорно, превосходит массу всех более крупных звезд во Вселенной. Эти красные карлики - истинные скряги, когда дело доходит до превращения водорода в гелий. Они копят свою энергию и будут существовать даже через десять триллионов лет, тогда как более массивные звезды к тому времени уже давно истощат запасы своего ядерного топлива и эволюционируют в белых карликов или превратятся в сверхновые. Эпоха звезд завершится, когда в галактиках закончится водородный газ, прекратится рождение звезд, а звезды-долгожители (имеющие наименьшую массу), красные карлики, медленно погаснут. Когда звезды наконец перестанут светить, Вселенной будет около ста триллионов лет (космологическая декада η = 14).

Эпоха распада . 15 < η < 39. По завершении эпохи образования и эволюции обычных звезд большая часть обычного вещества во Вселенной окажется заключенной в вырожденных остатках звезд - единственном, что останется по окончании эволюции звезд. В этом контексте под термином вырожденность подразумевается особое квантово-механическое состояние вещества, а никак не состояние аморальности. В список вырожденных объектов входят коричневые карлики, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. В эпоху распада Вселенная выглядит совсем не так, как сейчас. Нет видимого излучения обычных звезд, которое могло бы оживить небо, согреть планеты или придать галактикам слабое сияние, присущее им сегодня. Вселенная стала холоднее, темнее, а вещество в ней - еще более рассеянным.

И все же кромешную тьму непрерывно оживляют астрономически интересные события. Случайные столкновения разрушают орбиты мертвых звезд, а галактики постепенно изменяют свою структуру. Некоторые звездные остатки выбрасываются далеко за пределы галактики, другие же падают к ее центру. Изредка может вспыхнуть и маячок, когда в результате столкновения двух коричневых карликов появляется новая звезда с малой массой, которая впоследствии проживет триллионы лет. В среднем, в любое данное время, в галактике размером с наш Млечный Путь будут светить несколько таких звезд. Время от времени, в результате столкновения двух белых карликов, галактику потрясает вспышка сверхновой.

В эпоху распада белые карлики, самые распространенные звездные остатки, содержат наибольшую часть обычного барионного вещества Вселенной. Они собирают частицы темной материи, которые вращаются по орбите галактики, образуя огромный расплывчатый ореол. Однажды попав внутрь белого карлика, эти частицы^ впоследствии аннигилируют, тем самым обеспечивая Вселенную важным источником энергии. Действительно, в качестве основного механизма образования энергии традиционные реакции ядерного горения в звездах заменяет аннигиляция темной материи. Однако к тридцатой космологической декаде (η = 30) или даже раньше запас частиц темной материи истощается, в результате чего этот способ образования энергии подходит к своему логическому завершению. Теперь вещественное содержимое Вселенной ограничивается белыми карликами, коричневыми карликами, нейтронными звездами и мертвыми, разбросанными на большие расстояния друг от друга, планетами.

В конце эпохи распада масса-энергия, накопленная в недрах белых карликов и нейтронных звезд, рассеивается в виде излучения по мере распада протонов и нейтронов, составляющих эти звезды. Белый карлик, поддерживаемый протонным распадом, генерирует около четырехсот ватт: этого количества энергии достаточно для работы нескольких электрических лампочек. Общая светимость целой галактики таких старых звезд меньше, чем у одной обычной звезды, существующей за счет горения водорода, вроде нашего Солнца. С завершением процесса распада протонов эпоха распада подходит к концу. Вселенная - еще более темная, еще более разреженная - изменяется вновь.

Эпоха черных дыр . 40 < η < 100. По завершении эпохи распада протонов из всех подобных звездам астрофизических объектов остаются только черные дыры. Эти фантастические объекты обладают столь сильным гравитационным полем, что даже свет не может покинуть их поверхности. Распад протонов никак не влияет на черные дыры, так что по окончании эпохи распада они остаются целыми и невредимыми.

По мере испарения и исчезновения белых карликов черные дыры поглощают вещество и увеличиваются. И все же даже черные дыры не могут жить вечно. В конечном итоге, они должны испариться в ходе очень медленного квантово-механического процесса, называемого излучением Хокинга . Несмотря на свое название, черные дыры не являются абсолютно черными. На самом деле они светятся, хотя и чрезвычайно слабо, испуская тепловой спектр света и другие продукты распада. После исчезновения протонов испарение черных дыр становится основным источником уже почти невидимой энергии Вселенной. Черная дыра, имеющая массу Солнца, проживет около шестидесяти пяти космологических декад; большая черная дыра, имеющая массу галактики, испарится через девяносто восемь или сто космологических декад. Таким образом, всем черным дырам суждено погибнуть. Эпоха черных дыр заканчивается после испарения самых больших черных дыр.

Эпоха вечной тьмы. η > 101. По истечении ста космологических декад протоны уже давно распались, а черные дыры испарились. Сохраняются только остаточные продукты этих процессов: фотоны с огромной длиной волны, нейтрино, электроны и позитроны. Между эпохой вечной тьмы и первичной эпохой, когда Вселенной было менее миллиона лет, существует странная параллель. В каждую из этих эпох, весьма и весьма отдаленных во времени, полностью отсутствуют какие бы то ни было звездоподобные объекты, которые могли бы генерировать энергию.

В этом холодном далеком будущем активность во Вселенной практически завершилась. Энергия упала до крайне низких уровней, а временные промежутки просто ошеломляют. Дрейфующие в космическом пространстве электроны и позитроны встречаются друг с другом и время от времени образуют атомы позитрония. Однако эти столь поздно образующиеся структуры неустойчивы, а составляющие их частицы, рано или поздно, аннигилируют. Могут произойти, хотя и очень медленно, и другие аннигиляционные события низкого уровня.

По сравнению со своим расточительным прошлым, теперь Вселенная живет относительно консервативной и скромной жизнью. Или нет? Кажущаяся нищета этой столь далекой от нас эпохи, возможно, обусловлена неопределенностью нашей экстраполяции, а не реальным переходом Вселенной к старости.

Наше общество с немалой долей беспокойства осознало, что вымирание человечества не является такой уж надуманной проблемой. Ядерная конфронтация, экологические катастрофы и распространяющиеся вирусы - это далеко не все перспективы конца света, на которые обращают всеобщее внимание осторожные, склонные к паранойе и думающие только о выгоде люди. Но что если мы примем, хотя и несколько устаревшую, но куда более романтическую перспективу о ракетах, колониях в космосе и завоеваниях Галактики? В таком будущем человечество без труда смогло бы отсрочить быстро приближающуюся гибель Земли, просто перебравшись в другие солнечные системы. Но сможем ли мы продлить жизнь самих звезд? Найдем ли способ обойти распад протона? Сумеем ли обойтись без свойств черных дыр, обеспечивающих Вселенную энергией? Смогут ли хоть какие-то живые организмы пережить финальное всеобъемлющее опустошение эпохи вечной тьмы?

В этой книге мы рассматриваем перспективы и возможности сохранения жизни в каждую эпоху будущей эволюции Вселенной. Этому анализу неизбежно сопутствует атмосфера некоторой неопределенности. Общее теоретическое понимание жизни блещет отсутствием такового. Даже в той единственной среде обитания, где мы имеем прямой опыт, на нашей родной Земле, возникновение жизни не понято до сих пор. Таким образом, в своих дерзких обсуждениях возможностей существования жизни в отдаленном будущем мы находимся в качественно ином положении, чем когда имеем дело с чисто астрофизическими явлениями.

Несмотря на то, что у нас нет прочной теоретической парадигмы, описывающей возникновение жизни, нам необходима хоть какая-то рабочая модель, которая позволила бы систематизировать нашу оценку перспектив сохранения и распространения жизни. Чтобы охватить хотя бы часть всего диапазона возможностей, мы основываем свои размышления на двух очень разных моделях жизни. В первом и наиболее очевидном случае мы рассматриваем жизнь, в основе которой лежит биохимия, приблизительно подобная земной. Жизнь такого рода может возникнуть на планетах, подобных Земле, или на больших лунах в других солнечных системах. Отдавая дань освященной веками традиции, бытующей в среде экзобиологов, предположим, что, пока на некоторой планете присутствует вода в жидком состоянии, на этой планете может зародиться и развиться жизнь, в основе которой лежит углерод. Требование, связанное с тем, что вода должна находиться в жидком состоянии, накладывает достаточно строгое температурное ограничение на любую потенциальную среду обитания. Например, для атмосферного давления температура должна быть больше 273 градусов по шкале Кельвина, что соответствует точке замерзания воды, и меньше 373 градусов по шкале Кельвина, что соответствует точке кипения воды. Этот диапазон температур исключает большую часть астрофизических сред.

Второй класс жизненных форм основан на гораздо более абстрактной модели. В этом, последнем, случае мы в большой степени используем идеи Фримена Дайсона, влиятельного физика, выдвинувшего гипотезу соответствия масштабов для абстрактных форм жизни. Основная мысль состоит в том, что при любой температуре можно вообразить некоторую абстрактную форму жизни, которая прекрасно себя чувствует именно при данной температуре, по крайней мере, в принципе. Более того, скорость, с которой это абстрактное создание расходует энергию, прямо пропорциональна ее температуре. Например, если мы представим какой-то организм Дайсона, живущий при некоторой заданной температуре, то, согласно закону соответствия масштабов, все жизненные функции другой качественно подобной формы жизни, довольствующейся вполовину более низкой температурой, должны быть замедлены в те же самые два раза. В частности, если рассматриваемые организмы Дайсона обладают разумом и некоей разновидностью сознания, то фактическая скорость ощущения ими происходящих событий определяется не реальным физическим временем, а так называемым масштабным временем, пропорциональным температуре. Другими словами, скорость осознания у организмов Дайсона, живущих при низких температурах, ниже, чем у (во всем остальном) аналогичной формы жизни, существующей при более высокой температуре.

Этот абстрактный подход переводит обсуждение далеко за пределы привычной углеродной формы жизни, существующей на нашей планете, но при этом он все же позволяет сделать некоторые допущения о природе жизни вообще. Прежде всего, необходимо принять, что первичная основа мышления заключается в структуре жизненной формы, а не в веществе, ее образующем. Например, у людей мышление каким-то образом возникает в ходе множества сложных биохимических процессов, протекающих в мозге. Вопрос в том, необходима ли эта органическая структура. Если бы мы могли каким-то образом создать другую копию всей этой конструкции - человека, - используя иной набор строительных материалов, смогла бы эта копия мыслить таким же образом? Считала бы копия, что она и есть этот самый человек? Если органическая конструкция по какой-то причине окажется необходимой, значит, ключевую роль играет вещество , из которого состоит жизнь, и возможность существования абстрактных форм жизни в обширном диапазоне различных сред весьма ограничена. Если же, напротив, как мы принимаем здесь, необходима лишь структура , то в обширном диапазоне различных сред могут существовать многие формы жизни. Гипотеза соответствия масштабов Дайсона дает нам приблизительное представление о скоростях обмена веществ и мышления этих абстрактных форм жизни. Эта система взглядов весьма оптимистична, но, как мы увидим, она имеет богатые и интересные следствия.

По мере того как продолжается наше повествование, а великие эпохи сменяют друг друга, характер физической Вселенной меняется почти полностью. Прямое следствие этого изменения состоит в том, что Вселенная отдаленного будущего или далекого прошлого совершенно не похожа на Вселенную, в которой мы живем сегодня. Поскольку современная Вселенная достаточно удобна для жизни в том виде, в каком знаем ее мы, - у нас есть звезды, которые снабжают нас энергией, и планеты, на которых можно жить, - все мы совершенно естественно склонны считать современную эпоху в некотором смысле занимающей особое положение. В противовес этому мнению мы принимаем идею о «временном принципе Коперника», который достаточно просто гласит, что современная космологическая эпоха не занимает во времени особого места. Другими словами, в процессе эволюции и изменения Вселенной в ней не прекратятся интересные события. Хотя реальные уровни производства энергии и энтропии становятся вся более низкими, это компенсируется удлинением временных шкал, которые станут доступны в будущем. Еще раз перефразировав эту мысль, мы утверждаем, что законы физики предсказывают не то, что Вселенная однажды достигнет состояния полного покоя, а, скорее, что в настолько далеком будущем, в какое мы осмелимся заглянуть, не прекратятся интересные физические процессы.

Идея временного принципа Коперника служит естественным продолжением нашего непрерывно расширяющегося взгляда на Вселенную. Глобальная революция в мировоззрении произошла в шестнадцатом веке, когда Николай Коперник заявил, что Земля не является центром нашей Солнечной системы, как считалось ранее. Коперник совершенно правильно понял, что Земля - всего лишь одна из множества планет, которые вращаются по орбите вокруг Солнца. Это явное принижение статуса Земли, а следовательно, и человечества в то время вызвало сильнейший резонанс. Как обычно рассказывают, из-за еретических последствий подобного сдвига в мышлении Коперник вынужден был отложить публикацию своего величайшего труда De Revolutionibus Orbium Coelestium до 1543 года - года его смерти. Он колебался до самого конца и был близок к тому, чтобы скрыть свой труд. Во введении к своей книге Коперник пишет: «Я уже чуть было не положил свой завершенный труд в ящик, из-за презрения, которое я предчувствовал, имея на то причины, вследствие новизны и явного противоречия моей теории здравому смыслу». Несмотря на отсрочку, это сочинение, в конце концов, было опубликовано, и первая отпечатанная копия легла на смертный одр Коперника. Земля более не считалась центром Вселенной. Начался глобальный переворот.

После совершенной Коперником революции понижение нашего статуса не только продолжилось, но и ускорилось. Очень скоро астрономы установили, что другие звезды - это, на самом деле, объекты, подобные нашему Солнцу, и они могут, по крайней мере, в принципе, иметь свои собственные планетарные системы. Одним из первых к такому заключению пришел Джордано Бруно, который заявил, что у других звезд не только есть планеты, но и что эти планеты обитаемы! Впоследствии, в 1601 году, инквизиторы Римской католической церкви сожгли его на костре, хотя и якобы не из-за его утверждений, касавшихся вопросов астрономии. С тех пор мысль о том, что в других солнечных системах тоже могут существовать планеты, время от времени подхватывали выдающиеся ученые, включая Леонарда Эйлера, Иммануила Канта и Пьера Симона Лапласа.

Интересно, что на протяжении почти четырех веков идея о существовании планет за пределами нашей Солнечной системы оставалась чисто теоретической концепцией, в поддержку которой не было никаких данных. Только в последние несколько лет, начиная с 1995 года, астрономы точно установили, что планеты, вращающиеся по орбитам других звезд, действительно существуют. Имея новые возможности для наблюдения и проделав грандиозную работу, Джеф Марси, Мишель Майор и их соратники показали, что планетарные системы - явление относительно распространенное. Теперь наша Солнечная система превратилась всего лишь в одну из, возможно, миллиардов солнечных систем, существующих в Галактике. Начался новый переворот.

Поднимаясь на следующий уровень, мы обнаруживаем, что наша Галактика не единственная во Вселенной. Как в начале двадцатого века впервые осознали космологи, видимая Вселенная полна галактик, в каждой из которых существуют миллиарды звезд, вполне могущих иметь свои собственные системы планет. Более того, когда-то Коперник заявил, что наша планета не имеет особого места в рамках нашей Солнечной системы, - теперь же современная космология доказала, что и наша Галактика не занимает особого положения во Вселенной. В действительности, Вселенная, судя по всему, подчиняется космологическому принципу (см. следующую главу), который гласит, что на больших расстояниях Вселенная одинакова повсюду в космическом пространстве (Вселенная однородна) и что Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях (Вселенная изотропна). Космос не имеет ни привилегированных мест, ни предпочтительных направлений. Вселенная демонстрирует поразительную регулярность и простоту.

Каждое последующее понижение центрального статуса Земли приводит к бесповоротному заключению, что местоположение нашей планеты во Вселенной ничем не примечательно. Земля - это обычная планета, которая вращается по орбите умеренно яркой звезды в обыкновенной Галактике, расположенной в случайно выбранном месте Вселенной. Временной принцип Коперника распространяет эту общую идею из области пространства на область времени. Аналогично тому как наша планета, а значит, и человечество, не имеет особого местоположения во Вселенной, так и наша текущая космологическая эпоха не занимает особого места в громадных просторах времени. Этот принцип только продолжает разрушение той малой толики антропоцентрического мышления, что еще сохранилась.

Мы пишем эту книгу в самом конце двадцатого века - подходящее время, чтобы поразмыслить над нашим местом во Вселенной. Благодаря обширности понимания, обретенного в этом веке, мы можем, как никогда ранее внимательно, посмотреть на свое положение во времени и пространстве. В соответствии с временным принципом Коперника и широчайшим диапазоном астрофизических событий, которые еще только произойдут в необъятном будущем, мы утверждаем, что на момент завершения этого тысячелетия конец Вселенной не очень близок. Вооружившись четырьмя силами природы, четырьмя астрономическими окнами, чтобы обозревать Вселенную, и новым календарем, измеряющим время в космологических декадах, мы отправляемся в наше странствие по пяти великим эпохам времени.

Примечания:

О вращениях небесных сфер (лат.). - Прим. перев.

Силы в природе.

В природе существует много разных видов сил: тяготения, тяжести, Лоренца, Ампера, взаимодействия неподвижных зарядов и т.д., но все они в конечном счете сводятся к небольшому числу фундаментальных (основных) взаимодействий. Современная физика считает, что существует в природе лишь четыре вида сил или четыре вида взаимодействий:

1) гравитационное взаимодействие (осуществляется через гравитационные поля);

2) электромагнитное взаимодействие (осуществляется через электромагнитные поля);

3) ядерное (или сильное) (обеспечивает связь частиц в ядре);

4) слабое (отвечает за процессы распада элементарных частиц).

В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными силами, а также с упругими силами и силами трения.

Гравитационные силы (силы тяготения) – это силы притяжения, которые подчиняются закону всемирного тяготения. Любые два тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой прямо пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними:

где =6,67×10 –11 Н×м 2 /кг 2 – гравитационная постоянная.

Сила тяжести – сила, с которой тело притягивается Землей. Под действием силы притяжения к Земле все тела падают с одинаковым относительно поверхности Земли ускорением , называемым ускорением свободного падения. По второму закону Ньютона, на всякое тело действует сила , называемая силой тяжести. Она приложена к центру тяжести.

Вес –с ила, с которой тело, притягиваясь к Земле, действует на подвес или опору. В отличие от силы тяжести, являющейся гравитационной силой, приложенной к телу, вес – это упругая сила, приложенная к опоре или подвесу. Сила тяжести равна весу только в том случае, когда опора или подвес неподвижны относительно Земли. По модулю вес может быть как больше, так и меньше силы тяжести . В случае ускоренного движения опоры (например, лифта, везущего груз) уравнение движения (с учетом того, что сила реакции опоры равна по величине весу, но имеет противоположный знак ): Þ . Если движение происходит вверх , вниз: .

При свободном падении тела его вес равен нулю, т.е. оно находится в состоянии невесомости.

Силы упругости возникают в результате взаимодействия тел, сопровождающегося их деформацией. Упругая (квазиупругая) сила пропорциональна смещению частицы из положения равновесия и направлена к положению равновесия:

Силы трения возникают благодаря существованию сил взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел. Силы терния: а) возникают при соприкосновении двух движущихся тел; б) действуют параллельно поверхности соприкосновения; г) направлены против движения тела.

Трение между поверхностями твердых тел при отсутствии какой-либо прослойки или смазки называется сухим . Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды называется вязким или жидким. Различают три вида сухого трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Сила трения покоя – это сила, действующая между соприкасающимися телами, находящимися в состоянии покоя. Она равна по величине и противоположно направлена силе, понуждающей тело к движению: ; , где m – коэффициент трения.

Сила трения скольжения возникает при скольжении одного тела по поверхности другого: и направлена по касательной к трущимся поверхностям в сторону, противоположную движению данного тела относительно другого. Коэффициент трения скольжения зависит от материала тел, состояния поверхностей и от относительной скорости движения тел.

При качении тела по поверхности другого возникает сила трения качения , которая препятствует качению тела. Сила трения качения при тех же материалах соприкасаемых тел всегда меньше силы трения скольжения. Этим пользуются на практике, заменяя подшипники скольжения шариковыми или роликовыми подшипниками.

Упругие силы и силы трения определяются характером взаимодействия между молекулами вещества, которое имеет электромагнитное происхождение, следовательно, они по своей природе имеют электромагнитные происхождения. Гравитационные и электромагнитные силы являются фундаментальными – их нельзя свести к другим, более простым силам. Упругие силы и силы трения не являются фундаментальными. Фундаментальные взаимодействия отличаются простотой и точностью законов.

Пособие содержит комплект опорных конспектов и разноуровневых заданий, составленных в соответствии с действующим учебником физики и с новым стандартом образования.
Опорные конспекты в виде схематических блоков учебной информации (формул, рисунков, символов и т.д.) охватывают все основные темы курса физики 7 класса и представляют собой целостную структуру. Оптимальный вариант обучения, когда учитель систематически их применяет в своей работе при изложении нового материала, в ходе опроса, в процессе систематизации знаний.

ТВЕРДОЕ ТЕЛО
- имеет форму и объем
- трудно изменить форму и объем
- молекулы (атомы) расположены в строгом порядке (кристаллы), близко друг к другу
- между молекулами (атомами) сильное притяжение
- молекулы (атомы) колеблются около определенной точки

ЖИДКОСТЬ
- принимает форму сосуда, в котором находится
- легко меняет форму
- сохраняет объем (трудно изменить)
- молекулы расположены близко друг к другу
- молекулы не расходятся на большие расстояния
- притяжение между молекулами не очень сильное
- молекулы скачками меняют положение
- жидкости текучи

ГАЗ
- не имеют собственной формы и постоянного объема
- полностью заполняют предоставленный объем
- легко изменяют объем и форму
- молекулы расположены далеко друг к другу
- молекулы почти не притягиваются друг к другу

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Опорные конспекты
ОК-7.1 Введение 4
ОК-7.2 Физические величины и их измерение 5
ОК-7.3 Цена деления измерительные приборов 6
ОК-7.4 Основные этапы развития физики 7
ОК-7.5 Строение вещества 8
ОК-7.6 Диффузия 9
ОК-7.7 Взаимодействие молекул 10
ОК-7.8 Три состояния вещества 11
ОК-7.9 Механическое движение 12
ОК-7.10 Равномерное и неравномерное движение 13
ОК-7.11 Инерция 14
ОК-7.12 Взаимодействие тел 15
ОК-7.13 Масса тела 15
ОК-7.14 Плотность вещества 16
ОК-7.15 Сила 17
ОК-7.16 Явление тяготения. Сила тяжести 18
ОК-7.17 Сила упругости. Закон Гука 19
ОК-7.18 Вес тела 20
ОК-7.19 Сложение сил 20
ОК-7.20 Сила трения 21
ОК-7.21 Давление 22
ОК-7.22 Давление газа 23
ОК-7.23 Закон Паскаля 24
ОК-7.24 Давление в жидкости и газе 24
ОК-7.25 Сообщающиеся сосуды 25
ОК-7.26 Атмосферное давление 26
ОК-7.27 Измерение атмосферного давления 26
ОК-7.28 Гидравлическая машина 27
ОК-7.29 Выталкивающая сила 28
ОК-7.30 Закон Архимеда 29
ОК-7.31 Плавание тел 30
ОК-7.32 Плавание судов 30
ОК-7.33 Воздухоплавание 30
ОК-7.34 Механическая работа 31
ОК-7.35 Мощность 31
ОК-7.36 Простые механизмы 32
ОК-7.37 Рычаг 32
ОК-7.38 Блок 33
ОК-7.39 «Золотое правило» механики 33
ОК-7.40 Энергия 34
Разноуровневые задания
РЗ-7.1. Механическое движение (расчетные задачи) 35
РЗ-7.2. Механическое движение (графические задачи) 39
РЗ-7.3. Плотность вещества 46
РЗ-7.4. Силы в природе 49
РЗ-7.5. Давление твердых тел 51
РЗ-7.6. Давление жидкостей и газов 55
РЗ-7.7. Архимедова сила 62
РЗ-7.8. Механическая работа 68
РЗ-7.9. Мощность 72
РЗ-7.10. Простые механизмы. КПД механизмов. Энергия 75
Ответы 81
Таблицы физических величин 90
Основные формулы 93.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Физика, 7 класс, Опорные конспекты и разноуровневые задания, Марон А.Е., 2009 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

• Опорные конспекты и разноуровневые задания, 7 класс, К учебнику для общеобразовательных учебных заведений А.В.Перышкин «Физика», Марон Е.А., 2016

Во Вселенной существуют четыре типа сил, определяющих характер взаимодействия между объектами. Две из них известны как гравитационная и электромагнитная . Сила вызывает изменения в той или иной системе. Гравитационные силы в пространстве держат, например, планеты на их орбитах и собирают вместе космическую пыль, в результате чего образуются звезды. Законы движения Ньютона определяют силу, приложенную к телу, как произведение массы этого тела на получаемое им ускорение. Электромагнитные силы, действующие внутри атомов и между ними, оказывают большее воздействие, чем гравитационные (взаимное тяготение). Электрические силы, действующие между противоположно заряженными протонами и электронами, удерживают атомы и молекулы от распада. Те же самые электрические силы обеспечивают связность твердых и жидких материалов. Еще два типа сил во Вселенной называются сильным и слабым взаимодействиями . Они действуют только внутри атомных ядер и не оказывают влияния на Вселенную в целом.

В физике, в свою очередь, существует так называемая стандартная модель - это теоретические представления (набор уравнений) о существующих во Вселенной существующих четырех типах фундаментальных сил взаимодействия между объектами. Два из этих четырех взаимодействий — сильное и слабое — проявляются лишь внутри атомных ядер. Третье является электромагнитным взаимодействием и четвертое — гравитационным.

В совокупности эти теоретические представления позволяют прогнозировать результат любого известного фундаментального взаимодействия. Слабое взаимодействие управляет радиоактивным распадом. Сильное взаимодействие связывает вместе протоны и нейтроны (называемые также нуклонами) в ядрах атомов, а также связывает вместе элементарные частицы, называемые кварками, в нуклон. Электромагнитное взаимодействие участвует в генерации света и других видов электромагнитного излучения. Оно связывает также атомы в молекулы, образуя все известные нам вещества. Благодаря гравитационному взаимодействию удерживаются планеты около звезды, которые обращаются вместе с их спутниками вокруг звезд, а сами звезды движутся по своим орбитам в галактиках.

2. Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны внутри атома. Каждый атом состоит из центрального положительно заряженного ядра, построенного из протонов и нейтронов и занимающего лишь малую долю объема атома, но содержащего большую часть его массы, и из окружающего его облака значительно более легких отрицательно заряженных электронов. Число электронов в атоме равно числу заряженных частиц ядра — протонов и определяет то, как данный атом будет связан в молекуле с другими атомами. Протоны представляют собой один из трех видов элементарных частиц, которые образуют атом. Электрически нейтральные частицы (нейтроны) ядра определяют его массу, но не влияют на число электронов и, следовательно, не оказывают почти никакого влияния на связь данного атома с другими.

Химические свойства атома определяются числом протонов в его ядре и соответствующим числом электронов, обращающихся вокруг ядра. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Масса в отдельности протона и нейтрона примерно в 1800 раз больше, чем у электрона.

Однако, когда физики проникли глубже во внутреннее устройство атома, они обнаружили, что нейтрон и протон, в свою очередь, построены из кварков , причем на каждый из них приходится по три кварка. Главный вопрос современной физики состоит в том, не построены ли также и кварки из еще более мелких частиц.

Сильное взаимодействие , является самым сильным из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны . (Адроны т.е. кварки , элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (барионы и мезоны, включая все резонансы).

Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия около 10-13 см. Частный случай сильного взаимодействия — ядерные силы. Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.

Квантовоя хромодинамика - это, квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними — глюонами. (Глюоны, гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1, осуществляющие взаимодействие между кварками. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет».)

В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

3. Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие, фундаментальное взаимодействие, в котором участвуют частицы, имеющие электрический заряд (или магнитный момент). Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами является электромагнитное поле, или кванты поля — фотоны. По «силе» электромагнитное взаимодействие занимает промежуточное положение между сильным и слабым взаимодействиями и является дальнодействующим. Оно определяет взаимодействие между ядрами и электронами в атомах и молекулах, поэтому к электромагнитному взаимодействию сводится большинство сил, проявляющихся в макроскопических явлениях: силы упругости, трения, химическая связь и т. д. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн, участвует в генерации света и других видов электромагнитного излучения.

Оно связывает также атомы в молекулы, образуя все известные нам вещества.

В 1647г., французский физик и философ Пьер Гассенди высказал предположение, что атомы первоначально соединяются в особые группы, которые он назвал молекулами (от лат. moles — «масса», с уменьшительным суффиксом cula).

Сразу же возник вопрос: как образуется связь между атомами в молекулах? Представления о том, что атомы сцепляются посредством крючков, со временем перестали удовлетворять химиков, т.к. стало ясно, что сложные химические превращения невозможно объяснить примитивным механическим взаимодействием.

В начале XIX в. шведский химик Йенс-Якоб Берцелиус предложил электрохимическую теорию сродства. Он считал, что атомы притягиваются друг к другу благодаря наличию у каждого из них двух противоположных электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

Идея о том, что силы, удерживающие атомы в молекуле, имеют электрическую природу, оказалась верной, но первые шаги в понимании природы химической связи удалось сделать только после открытия электрона и разработки электронной теории строения атома.

В 1907 г. российский химик Николай Александрович Морозов предположил, что химическая связь между атомами может получиться за счет образования электронных пар. Это подтвердил в 1916 г. американский физикохимик Гилберт-Ньютон Льюис. По расчетам Льюиса получилось, что молекула будет наиболее энергетически устойчивой, если вокруг каждого ее атома образуется восьмиэлектронная оболочка («электронный октет»). Недаром химически инертные благородные газы имеют именно такой набор внешних электронов. Химическую связь, по Льюису, образуют одна, две, три пары электронов, принадлежащие октетам двух соседних атомов.

Представления Льюиса понятны и удобны, но не дают знания о происхождении сил, вызывающих притяжение нейтральных атомов и образовании молекул.

В 1927 г. физики-теоретики объяснили образование молекулы водорода таким образом. Каждый из атомов этого элемента имеет один электрон, занимающий сферическую ls-атомную орбиталь и притягивающийся к положительно заряженному ядру. Если же удастся сблизить два атома водорода, то каждый из электронов начнет притягиваться уже к двум ядрам или (что то же самое) оба ядра будут притягиваться к электронам.

При этом устанавливается равновесие сил притяжения и отталкивания протон — протонного и электрон — электронного) и образуется устойчивая двухатомная молекула водорода.

Чтобы атомы не разбегались, электроны должны как можно больше времени находиться между ядрами. Как этого добиться?

Атомные орбитали при взаимодействии атомов частично перекрываются и проникают друг в друга. В области проникновения электронных «облаков» возникает дополнительный электрический заряд.

Область частичного перекрывания ведет себя как самостоятельная орбиталь, и здесь действуют те же правила, что и при заполнении атомных орбиталей, в том числе и принцип Паули. Согласно этому принципу, два электрона в молекуле водорода должны иметь разные спины (спин — это собственный магнитный момент электрона) — они обозначаются противоположно направленными стрелками:↓.

Принцип Паули объясняет, почему невозможно образование двухатомной молекулы гелия. Чтобы такая молекула, Не 2 оказалась устойчивой, в области перекрывания должны находиться четыре электрона. Однако существуют только два направления спина, значит, только два электрона могут находиться между ядрами. Остальные электроны будут «растаскивать» ядра, и атомы разлетятся. Молекула не образуется. В перекрывании могут участвовать не только s-, но и другие орбитали. Однако электронные облака атомов перекрываются и проникают друг в друга только в том случае, если они имеют близкие значения энергии и одинаковую симметрию. Вот, например, фтор F, у атома которого электронная формула [Не] 2s22pK Каждый атом фтора имеет семь валентных электронов — так называют внешние электроны, способные образовывать химическую связь. |

Атомные орбитали, занятые парами электронов, даже валентных, не перекрываются по той же причине, что и орбитали атомов гелия. Однако каждый атом фтора имеет одну орбиталь с единственным (неспаренным) электроном — вот эти-то орбитали будут проникать друг в друга (перекрываться). В области перекрывания расположатся два электрона от двух атомов фтора, которые свяжут их в молекулу.

Могут перекрываться и разные орбитали. Именно так образуется связь в молекуле фтороводорода HF. Дело в том, что s-орбиталь атома водорода и p -орбиталь атома фтора имеют разную форму, но одинаковую симметрию: при вращении вокруг оси, соединяющей ядра атомов, они совпадают сами с собой. По одному электрону от обоих атомов располагаются в области перекрывания этих орбиталей. И вот пара электронов объединяет атомы водорода и фтора: получается молекула HF.

У сферических s -орбиталей существует только одна возможность для перекрывания, а вот p -орбитали могут перекрываться разными способами. Один из них показан на примере молекулы фтора. При таком перекрывании образуется так называемая σ-связь . Но есть и другая возможность — перекрывание боковыми областями электронного облака. В этом случае образуется π-связь , которая значительно слабее σ-связи и может возникнуть только в дополнение к ней. Для этого двум атомам надо иметь p -орбитали, которые могут участвовать в перекрывании. Такая возможность есть у атомов кислорода. Электронная формула атома кислорода [Не] 2s 2 2p 4 и здесь валентными являются шесть электронов. Атом кислорода имеет на одной p -орбитали два электрона, а на оставшихся двух — по одному. Вот эти-то атомные орбитали с одиночными (неспаренными) электронами и участвуют в перекрывании.

Две p -орбитали двух атомов кислорода, расположенные вдоль линии, соединяющей их ядра, перекрываются и образуют σ-связь. А p -орбитали, перпендикулярные этой линии, создают дополнительную π-связь. Связь становится двойной, а участвуют в ее образовании две пары электронов. Как будто атомы кислорода протянули друг другу по две руки.

У атома азота N (его электронная формула — [Не] 2s 2 2р 2) из семи электронов валентными являются пять, три из которых располагаются поодиночке на трех p -орбиталях. При перекрывании электронных облаков двух атомов азота образуются одна σ- и две π-связи. Это уже тройная связь. Она отличается необычайной прочностью, и становится понятным, почему молекулы азота N2 с таким трудом вступают в химические реакции. А вообше-то иметь несколько орбиталей с неспаренными электронами удобно — можно образовать несколько связей с другими атомами. Вместо того чтобы использовать две связи на объединение друг с другом в молекуле О 2 атом кислорода может присоединить к себе два атома водорода — получится молекула воды Н 2 О.

Механизм возникновения химической связи, при котором используется по одному электрону от каждого атома, называют обменным. Здесь все атомы как бы обмениваются своими электронами.

К примеру, если два человека обменяются яблоками, у каждого опять будет по одному яблоку, а если они обменяются идеями, у каждого их будет по две. А если один из них большой выдумщик и у него уже есть две идеи, а у его партнера ни одной? Что ж, во время общения результат окажется тем же — у каждого по две идеи, которые станут общими. Вот и пара электронов в области перекрывания может появиться и при перекрывании двух орбиталей — пустой и имеющей два электрона. Это донорно-акцепторный механизм образования химической связи: атом-донор безвозмездно отдает, а атом-акцептор принимает два спаренных электрона.

Таким образом на основе электромагнитных взаимодействий объясняются не только электрические и магнитные явления, но и оптические, и тепловые, и химические.

4. Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие, одно из фундаментальных взаимодействий, в котором участвуют все элементарные частицы (кроме фотона). Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но неизмеримо сильнее гравитационного. Ожидаемый радиус действия слабого взаимодействия порядка 2·10-16 см. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. Для слабого взаимодействия характерно нарушение четности, странности, «очарования» и др. В кон. 60-х гг. создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий (т. н. электрослабое взаимодействие).

Четность , квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции физической системы или элементарной частицы при некоторых дискретных преобразованиях: если при таком преобразовании y не меняет знака, то четность положительна, если меняет, то четность отрицательна. Для абсолютно нейтральных частиц (или систем), которые тождественны своим античастицам, кроме четности пространственной, можно ввести понятия зарядовой четности и комбинированной четности (для остальных частиц замена их античастицами меняет саму волновую функцию).

Странность (S), целое (нулевое, положительное или отрицательное) квантовое число, характеризующее адроны. Странность частиц и античастиц противоположны по знаку. Адроны с S≠0 называются странными. Странность сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается (на 1) в слабом взаимодействии.

«Очарование» (чарм, шарм), квантовое число, характеризующее адроны (или кварки); сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием. Частицы с ненулевым значением «очарование» называются «очарованными» частицами.

Слабое взаимодействие, например, управляет радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад - это постепенное уменьшение числа радиоактивных атомов вещества при спонтанном ядерном распаде, в результате чего эти атомы из нестабильного состояния переходят в стабильное. Время, в течение которого распадается половина таких атомов, называется периодом полураспада. Процесс радиоактивного распада сопровождается испусканием альфа-частиц, нуклонов, электронов и гамма-лучей либо непосредственно из нестабильных атомных ядер, либо вследствие ядерной реакции.

Радиоактивный распад представляет собой естественный процесс, протекающий вокруг нас постоянно. Именно радиоактивный распад таких элементов, как уран, торий и калий, нагревает недра Земли. Внутренняя теплота ядра Земли также генерируется радиоактивным распадом элементов, образовавшихся в теле звезд и вошедших в состав первобытной Земли вследствие Большого Взрыва. Эта же теплота, в свою очередь, питает энергией тектоническую активность Земли.

Время, необходимое для распада (с выделением энергии) половины данного количества радиоактивного материала называется периодом полураспада. Атом распадается путем деления (или расщепления) атомного ядра, переходя из нестабильного состояния в стабильное. Все радиоактивные вещества стремятся со временем прийти в стабильное состояние, и этот процесс сопровождается испусканием ионизирующего излучения. Период полураспада различных радиоактивных материалов варьирует от менее чем миллионной доли секунды до миллионов лет. Период полураспада какого-либо определенного вещества постоянен и не зависит от физических условий, таких, как давление или температура. Поэтому радиоактивность можно использовать для оценки интервалов времени, измеряя долю ядер, которая уже подверглась распаду. Например, измерив количество углерода, оставшееся в ископаемых остатках, можно узнать, сколь давно этот ископаемый материал образовался.

Периоды полураспада радиоактивных веществ, представляющих наибольшую угрозу человечеству, не являются ни очень короткими, ни очень долгими. Короткоживущие вещества теряют свою активность столь быстро, что не представляют опасности. Радиоактивность очень долгоживущих материалов уменьшается столь медленно, что вредное ионизирующее излучение от них практически безопасно.

5. Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие, универсальное (присущее всем видам материи) взаимодействие, самое слабое из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, имеет характер притяжения.

Если это взаимодействие относительно слабое и тела движутся медленно по сравнению со скоростью света в вакууме с , то справедлив закон всемирного тяготения Ньютона. В случае сильных полей и скоростей, сравнимых с c , необходимо пользоваться созданной А. Эйнштейном общей теорией относительности (ОТО), являющейся обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной относительности теории. В основе ОТО лежит принцип эквивалентности — локальной неразличимости сил тяготения и сил инерции, возникающих при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени (п.-в.); в свою очередь, эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы. В таком искривленном п.-в. движение тел «по инерции» (т. е. при отсутствии внешних сил, кроме гравитационных) происходит по геодезическим линиям, аналогичным прямым в неискривленном пространстве, но эти линии уже искривлены. В сильном поле тяготения геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее, чем вне поля. Теория Эйнштейна предсказывает конечную скорость изменения поля тяготения, равную скорости света в вакууме (это изменение переносится в виде гравитационных волн), возможность возникновения черных дыр и др. Эксперименты подтверждают эффекты ОТО.

Проведя мысленные эксперименты, Эйнштейн пришел к выводу, что реальное гравитационное поле будет эквивалентно ускоренным системам только в том случае, если пространство-время является искривленным, т.е. неевклидовым: «Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их скоростями. Гравитационные уравнения ОТО стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира» . Великий физик исходил из того, что пространственно-временной континуум носит риманов характер. А римановым (в узком смысле) называется пространство постоянной положительной кривизны. Его наглядный образ - поверхность обычной сферы, на которой кратчайшая линия не является прямой.

Итак, с точки зрения ОТО пространство нашего мира не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения. И время в разных точках течет по-разному. Поле тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального пространства от свойств идеального (евклидова) пространства. Поле тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. При этом искривление пространства-времени определяется не только полной массой вещества, из которого слагается тело, но и всеми видами энергии, присутствующими в нем, в том числе энергии всех физических полей. Так, в ОТО обобщается принцип тождества массы и энергии СТО: Е = mc 2 . Таким образом, важнейшее отличие ОТО от других физических теорий состоит в том, что она описывает тяготение как воздействие материи на свойства пространства-времени, эти свойства пространства-времени, со своей стороны, влияют на движение тел, на физические процессы в них.

В ОТО движение материальной точки в поле тяготения рассматривается как свободное «инерциальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в пространстве с изменяющейся кривизной. В результате движение точки уже не является прямолинейным и равномерным, а происходит по геодезической линии искривленного пространства. Отсюда следует, что уравнение движения материальной точки, а также и луча света должно быть записано в виде уравнения геодезической линии искривленного пространства. Для определения кривизны пространства необходимо знать выражение для компонент фундаментального тензора (аналога потенциала в ньютоновской теории тяготения). Задача заключается в том, чтобы, зная распределения тяготеющих масс в пространстве, определить функции координат и времени (компонент фундаментального тензора); тогда можно записать уравнение геодезической линии и решить проблему движения материальной точки, проблему распространения светового луча и т.д.

Эйнштейн нашел общее уравнение гравитационного поля (которое в классическом приближении переходило в закон тяготения Ньютона) и таким образом решил проблему тяготения в общем виде. Уравнения гравитационного поля в общей теории относительности представляют собой систему из 10 уравнений. В отличие от теории тяготения Ньютона, где есть один потенциал гравитационного поля, который зависит от единственной величины — плотности массы, в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса.

Еще одно кардинальное отличие ОТО от предшествующих ей физических теорий состоит в отказе от ряда старых понятий и формулировке новых. Так, ОТО отказывается от понятий «сила», «потенциальная энергия», «инерциальная система», «евклидов характер пространства-времени» и др. В ОТО используют нежесткие (деформирующиеся) тела отсчета, поскольку в гравитационных полях не существует твердых тел и ход часов зависит от состояния этих полей. Такая система отсчета (ее называют «моллюском отсчета») может двигаться произвольным образом, и ее форма может изменяться, у используемых часов может быть сколь угодно нерегулярный ход. ОТО углубляет понятие поля, связывая воедино понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени, допускает возможность гравитационных волн. Гравитационные волны создаются переменным гравитационным полем, неравномерным движением масс и распространяются в пространстве со скоростью света. Гравитационные волны в земных условиях очень слабы. Есть возможность реальной фиксации гравитационного излучения, возникающего в грандиозных катастрофических процессах во Вселенной — вспышках сверхновых звезд, столкновении пульсаров и др.

Список использованной литературы

1. Альберт Эйнштейн и теория гравитации. - М., 1979. - С. 570.

1. Большая серия знаний. Химия. - М.: Мир книги, Русское энциклопедическое товарищество, 2006. - С. 10 - 21.

1. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2007. - www.KM.ru [электронный мультипортал]

4. Бренан Р. Словарь научной грамотности. - М: Мир, 1997. - 368с.

5. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П., Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М., 2002.

6. Ильченко В.Р. Перекрёстки физики, химии и биологии. - М.: Просвещение, 1986. - С.134 - 140.

7. Найдыш В.М., Концепции современного естествознания: учебник. - изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа-М, ИНФРА-М, 2004.

8. Философские проблемы естествознания. - М.: Высшая школа, 1985.

9. Эйнштейн А., Инфельд Л., Эволюция физики. - М., 1965.

В природе существует четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабые.

Гравитационные силы, или силы тяготения, действуют между всеми телами. Но эти силы заметны, если хотя бы одно из тел имеет размеры, соизмеримые с размерами планет. Силы притяжения между обычными телами настолько малы, что ими можно пренебречь. Поэтому гравитационными можно считать силы взаимодействия между планетами, а также между планетами и Солнцем или другими телами, имеющими очень большую массу. Это могут быть звёзды, спутники планет и т.п.

Электромагнитные силы действуют между телами, имеющими электрический заряд.

Ядерные силы (сильные) являются самыми мощными в природе. Они действуют внутри ядер атомов на расстояниях 10 -13 см.

Слабые силы , как и ядерные, действуют на малых расстояниях порядка 10 -15 см. В результате их действия происходят процессы внутри ядра.

Механика рассматривает гравитационные силы, силы упругости и силы трения.

Гравитационные силы

Гравитация описывается законом всемирного тяготения. Этот закон был изложен Ньютоном в середине XVII в. в работе «Математические начала натуральной философии».

Гравитацией называют силу тяготения, с которой любые материальные частицы притягиваются друг у другу.

Сила, с которой материальные частицы притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .

G – гравитационная постоянная, численно равная модулю силы тяготения, с которой тело, имеющее единичную массу, действует на тело, имеющее такую же единичную массу и находящееся на единичном расстоянии от него.

G = 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , или Н·м²·кг −2 .

На поверхности Земли сила гравитации (сила тяготения) проявляется в виде силы тяжести .

Мы видим, что любой предмет, брошенный в горизонтальном направлении, всё равно падает вниз. Падает вниз также и любой предмет, подброшенный вверх. Происходит это под действием силы тяжести, которая действует на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли. Сила тяжести действует на тела и на поверхности других астрономических тел. Эта сила всегда направлена вертикально вниз.

Под действием силы тяжести тело движется к поверхности планеты с ускорением, которое называется ускорением свободного падения .

Ускорение свободного падения на поверхности Земли обозначается буквой g .

F t = mg ,

следовательно,

g = F t / m

g = 9, 81 м/с 2 на полюсах Земли, а на экваторе g = 9,78 м/с 2 .

При решении простых физических задач величину g принято считать равной 9,8 м/с 2 .

Классическая теория тяготения применима только для тел, имеющих скорость намного ниже скорости света.

Силы упругости

Силами упругости называются силы, которые возникают в теле в результате деформации, вызывающей изменение его формы или объёма. Эти силы всегда стремятся вернуть тело в его первоначальное положение.

При деформации происходит смещение частиц тела. Сила упругости направлена в сторону, противоположную направлению смещения частиц. Если деформация прекращается, сила упругости исчезает.

Английский физик Роберт Гук, современник Ньютона, открыл закон, устанавливающий связь между силой упругости и деформацией тела.

При деформации тела возникает сила упругости, прямо пропорциональная удлинению тела, и имеющая направление, противоположное перемещению частиц при деформации.

F = k ∆ l ,

где к – жёсткость тела, или коэффициент упругости;

∆ l – величина деформации, показывающая величину удлинения тела под воздействием сил упругости.

Закон Гука действует для упругих деформаций, когда удлинение тела мало, а тело восстанавливает свои первоначальные размеры после того, как исчезают силы, вызвавшие эту деформацию.

Если деформация велика, и тело не возвращается в свою исходную форму, закон Гука не применяется. При очень больших деформациях происходит разрушение тела.

Силы трения

Сила трения возникает, когда одно тело движется по поверхности другого. Она имеет электромагнитную природу. Это следствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. Направление силы трения противоположно направлению движения.

Различают сухое и жидкое трение. Сухим называют трение, если между телами нет жидкой или газообразной прослойки.

Отличительная особенность сухого трения – трение покоя, которое возникает при относительном покое тел.

Величина силы трения покоя всегда равна величине внешней силы и направлена в противоположную сторону. Сила трения покоя препятствует движению тела.

В свою очередь, сухое трение разделяется на трение скольжения и трение качения .

Если величина внешней силы превышает величину силы трения, то в этом случае появится проскальзывание, и одно из контактирующих тел начнёт поступательно перемещаться относительно другого тела. А сила трения будет называться силой трения скольжения . Её направление будет противоположно направлению скольжения.

Сила трения скольжения зависит от силы, с которой тела давят друг на друга, от состояния трущихся поверхностей, от скорости движения, но не зависит от площади соприкосновения.

Сила трения скольжения одного тела по поверхности другого вычисляется по формуле:

F тр. = k · N ,

где k – коэффициент трения скольжения;

N – сила нормальной реакции, действующая на тело со стороны поверхности.

Сила трения качения возникает между телом, которое перекатывается по поверхности, и самой поверхностью. Такие силы появляются, например, при соприкосновении шин автомобиля с дорожным покрытием.

Величина силы трения качения вычисляется по формуле

где F t – сила трения качения;

f – коэффициент трения качения;

R – радиус катящегося тела;

N – прижимающая сила.