Основные положения по курсу

Вид материала

Документы

Содержание Дополнение к ОТО – «черные дыры» 3.11 Микро-, макро-, мегамиры

Подобный материал:

• «Безопасность жизнедеятельности» Раздел Контрольные вопросы к курсу, 43.79kb.
• 1. Консульский устав Союза СССР 1976г: основные положения, 913.69kb.
• Контрольные вопросы по курсу, 25.82kb.
• Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальной дисциплине 12. 00., 910.47kb.
• Спецкурс (40 часов) Стоимость обучения: 12 000 руб. Занятия по курсу планируются, 26.49kb.
• Гидротехнические сооружения. Основные положения, 913.46kb.
• Задания для самообразовательной деятельности учащихся по курсу географии 8 класса, 58.44kb.
• Одобрен Советом Федерации 5 декабря 2001 года Часть первая. Общие положения Раздел, 22176.68kb.
• «Сопротивление материалов», 428.03kb.
• Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов Техническое диагностирование, 656.6kb.

Дополнение к ОТО – «черные дыры»

ОТО предсказывает существование во Вселенной сверхмассивных объектов – «черных дыр».

Чтобы пояснить свойства «черных дыр», введем некоторые вспомогательные понятия: вторая космическая скорость, т.е. скорость объекта, позволяющая ему покинуть сферу влияния тяготения Земли, равна 11,2 км/с; вторая космическая скорость, применительно к любым притягивающим телам, например Солнцу, называется скоростью убегания.

Так, например, для Солнца скорость убегания составляет 618 км/с, а для нейтронных звезд – примерно 200000 км/с (2/3 скорости света).

Теория относительности утверждает, что наибольшая возможная скорость физического тела, излучения и т.п. не может превышать скорость света.

Поэтому, наиболее простое определение «черной дыры» - это объект, для которого скорость убегания равна скорости света.

Более полное определение «черной дыры»: «черная дыра» - область в пространстве-времени (внутри которой находится сверхмассивный космический объект), гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (и сам свет в том числе). Граница этой области называется горизонтом событий, а ее характерный размер – гравитационным радиусом (радиусом Шварцшильда).

Образование «черных дыр». «Черные дыры» появляются в результате эволюции достаточно массивных звезд (с массами более 3.6 массы Солнца).

Эволюция звезды: пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие удерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод и т.д., вплоть до железа у массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло, компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако, со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Если определить гравитационный коллапс как сжатие сверхмассивного тела под действием собственной гравитации, то этот процесс можно представить в следующей формулировке: если энергия термоядерного синтеза становится меньше энергии тяготения, то происходит гравитационный коллапс. Однако, если радиус звезды уменьшается до значения гравитационного радиуса, то коллапс продолжается до превращения звезды в «черную дыру».

Обнаружение «черных дыр». «Черные дыры» недоступны для непосредственного наблюдения, т.к. находятся на огромных расстояниях от Земли и имеют настолько сильное гравитационное притяжение, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Однако, «черные дыры», находятся, как правило, в центре галактик с большой плотностью вещества, и засасывают это вещество. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падать частицы в «черную дыру» с огромным ускорением и излучать фотоны (в рентгеновском диапазоне). Именно это рентгеновское излучение и выдает присутствие «черной дыры».

Резюмируем все вышесказанное:

- если масса космического объекта находится внутри сферы с гравитационным радиусом, то такой объект называется «черной дырой»

- «черные дыры» недоступны для непосредственного наблюдения

- обнаружение «черных дыр» во Вселенной возможно потому, что окружающие ее частицы падают на нее с огромным ускорением, излучая фотоны. Этот процесс сопровождается сильным рентгеновским излучением

- излучение не может покинуть «черные дыры»

- время в «черной дыре» практически останавливается для наблюдателя со стороны. Можно сказать и следующим образом: время на поверхности сферы, ограниченной гравитационным радиусом, останавливается.

- «черная дыра» образуется, если: радиус звезды уменьшается до значения гравитационного радиуса; происходит гравитационный коллапс массивной звезды

- гравитационный коллапс определяется как сжатие сверхмассивного тела (газопылевого облака, звезды) под действием собственной гравитации

- гравитационный коллапс происходит, если энергия термоядерного синтеза звезды становится меньше энергии тяготения.

3.11 Микро-, макро-, мегамиры

В современном естествознании имеют дело с чрезвычайно большой совокупностью сильно различающихся по своему масштабу и по уровню сложности объектов. Взяв за ориентир пространственно-временной масштаб, привычный для человека, всю совокупность объектов можно условно представить тремя областями.

Микромир:

- это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых объектов

- пространственная размерность объектов в микромире исчисляется от 10^-16 см до 10^-6 см

- микромир целиком стал областью интересов квантовой физики

- основные структуры микромира: элементарные частицы; атомные ядра; атомы; молекулы; биологические системы (нуклеиновые кислоты, белки, вирусы, бактерии, клетки)

Макромир:

- это мир, непосредственно окружающих человека, объектов

- пространственная размерность объектов в макромире исчисляется от 10^-5 см до 10⁴ км

- основные структуры макромира: газообразные, жидкие и твердые тела; биологические системы (организмы, биогеоценозы, биосфера) и т.д.

- изучение объектов микромира проведено в основном в рамках классического естествознания

Мегамир:

- основные структуры мегамира: планеты; планетные системы (например, Солнечная система); звезды; галактики; скопление галактик; Метагалактика; Вселенная

- изучение объектов мегамира осуществляется астрономией, астрофизикой и космологией

- пространственная размерность объектов в мегамире простирается от 10⁴ км до 10²³ км

- в мегамире существенными являются гравитационные взаимодействия больших масс, масс космического масштаба.


Единицы измерений расстояний в мегамире:

- астрономическая единица (а.е.) – расстояние от Земли до Солнца, равная примерно 150 млн. км, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы

- межзвездные и межгалактические расстояния измеряются в единицах:

а) световой год- расстояние, которое световой луч преодолеет за один год, равный примерно 10 триллионов километров (10¹³ км);

б) парсек (п.к.) равен 3,26 светового года, т.е. приблизительно 3*10¹³ км


Звезда:

- самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов (плазмы), по своей природе похожи на Солнце

- основным источником энергии звезд являются реакции термоядерного синтеза, при которых из легких ядер образуются более тяжелые (чаще всего это превращение водорода в гелий)


Атрибуты планет:

- небесные тела, обращающиеся вокруг звезд

- светятся отраженным светом от звезд

- достаточно массивны, чтобы под действием собственного гравитационного поля стать шарообразными

- достаточно массивна, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Галактики:

- системы из миллиардов звезд (не менее 1000 млрд. звезд), связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Галактики по форме условно разделяются на три типа:

- эллиптические галактики, обладающие формой эллипса с различной степенью сжатия

- спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви

- неправильные галактики – не обладают выраженной формой


Наша галактика – Млечный путь, ее основные характеристики:

- гигантская (более 100 млрд. звезд)

- спиральная

- диаметр около 100 тысяч световых лет


Метагалактика: часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и др. объектами, которая доступна для исследования современными астрономическими методами. Она содержит несколько миллиардов галактик


Вселенная – все сущее, т.е. весь существующий материальный мир. Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удаленных из наблюдаемых объектов – более 10 млрд. световых лет


Космос – плохо определяемый термин. Он обозначает или Вселенную в целом или пространство за пределами Земли.


Примеры правильных последовательностей в структурной иерархии (от меньшего к большему):

а) звезда – звездная система – Метагалактика – Вселенная

б) элементарные частицы – ядра атома – атомы – молекулы

в) кварк – протон – ядро – атом

г) протон – ядро атома углерода – атом углерода – молекула сахара

д) элементарные частицы – атомы – молекулы – макротела.