Философско-концептуальный аппарат физики

(МЕХАНИЦИЗМ, ЭЛЕКТРОМАГНИТИЗМ,

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ, ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ)

АЛЬФА-ЧАСТИЦЫ, они же гелионы – ядра атомов гелия, образовавшиеся на ранних стадиях «большого взрыва»; содержат 4 нуклона, из которых 2 протона и 2 нейтрона; испускаются некоторыми радиоактивными элементами, а также являются продуктом некоторых ядерных реакций, протекающих под действием нейтронов или заряженных частиц.

АНТИЧАСТИЦЫ – субъядерные элементарные частицы вещества, имеющие одинаковое значение ряда основных параметров, таких, как масса, время жизни, величина электрического заряда, собственного момента импульса (спина), но противоположный знак электрического заряда и некоторых других квантовых параметров. При взаимодействии претерпевают аннигиляцию. Самым простым примером такой пары являются электрон и позитрон. Вещество, составленное из соответствующих античастиц, называют антивеществом.

АНТИВЕЩЕСТВО – материя (вещество), образованная из античастиц. Ядра антиатомов должны состоять из антипротонов и антинейтронов, а легкие оболочки из позитронов (антиэлектронов). Современная астрономия и астрофизика не исключают возможность существования ряда активных ядер галактик и самих галактик из антивещества (в согласии с наблюдательными данными конца XX века).

АНТИСИММЕТРИЯ – свойство многих материальных фигур совмещаться с собой в разных позициях операциями антисимметрии. Всякая операция антисимметрии состоит из к.-л. операции обыкновенной симметрии в сочетании с операцией перемены знака фигуры, физический смысл которой может быть различным, например: перемена знака заряда, знака движения (вперед – назад), растяжение – сжатие, замена черного на белое, негатива на позитив и т. д. Операциями антисимметрии являются антиповороты, антиотражения, антиинверсии, антипереносы и т. д.

АТОМ – (неделимый) мельчайшая часть химического элемента, сохраняющая его свойства. Состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны (общее название – нуклоны) и электронных оболочек, число электронов в которых равно числу протонов в ядре. Атом в целом электронейтрален, химические свойства его в основном определяются конфигурацией внешних оболочек и количеством электронов на них. Энергетические характеристики орбитальных электронов обладают свойством дискретности и изменяются скачкообразно путем т.н. квантового перехода, посредством поглощения или испускания квантов электромагнитного излучения – фотонов. В первом приближении модель атома можно изобразить в виде сферического образования, весьма условно характеризуемого средним диаметром порядка 10^-8 см, причем фактически вся атомная масса сосредоточена в ядре, имеющем размеры порядка 10^{-13 см. Атомы всех существующих химических элементов расположены в периодической системе в порядке возрастания их атомных номеров. Выдающийся английский физик Эрнест Резерфорд пришел к планетарной модели атома на основе эксперимента, анализируя распределение траекторий рассеянных альфа-частиц, которыми он бомбардировал атомы мишени. Некоторые частицы вели себя так, будто отражались от ничтожной по размерам, но твердой преграды, большинство других лишь слегка рассеивалось гораздо большей в диаметре, но очень «рыхлой» областью. Модель атома Резерфорда-Бора и дальнейшее развитие атомной физики оказала революционное влияние на всю культуру} XX-го века. Изучение закономерностей внутриструктурного поведения атома показало, во-первых, принципиальную ограниченность описательных возможностей ньютоновской классической физики (высшего достижения человеческой мысли с античных времен), а во-вторых – тех принципов мышления и аналогий, которые базируются на здравом смысле и предшествующем опыте естествознания. В настоящее время существует несколько моделей атома, отражающих несводимые друг к другу особенности его поведения в различных ситуациях, более адекватно описывающих процессы взаимодействия атомов в вероятностных терминах квантовой механики, но, конечно, не обладающих той наглядностью, которая свойственна более простой и доступной обыденному сознанию, но слишком упрощенной и поверхностной планетарной модели.

БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ ПРИНЦИП – принцип, согласно которому любое взаимодействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то электрическое взаимодействие нельзя объяснить мгновенным действием на расстоянии. Поэтому дальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Таким образом, согласно современной науке, взаимодействия между структурами передаются посредством соответствующего поля с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

ВЕРОЯТНОСТЬ – математическая числовая характеристика возможности появления какого-либо случайного события при неограниченно большой последовательности повторяющихся испытаний в стандартных неизменных условиях. Случайное событие характеризуется тем, что при соблюдении заданных условий оно может как произойти, так и не произойти, причем никакие точные прогнозы относительно его появления по определению невозможны. Все прогнозы, касающиеся систем, характеризующихся вероятностным или стохастическим типом происходящих в них процессов, имеют не абсолютно точный, а лишь статистически достоверный характер, т.е. любые полученные данные находятся в пределах некоторого коридора ошибок (т. н. доверительного интервала), определяющего меру точности измерений. Наука, изучающая статистические закономерности случайных процессов, называется теорией вероятностей. Представления о вероятностном характере поведения объектов микромира, – отсутствии определенных траекторий движения и точного местоположения в пространстве, – лежат в основе квантовой механики и квантовой теории поля (принцип неопределенности) и являются концептуальным фундаментом неклассической науки XX-го века.

ГРАВИТАЦИЯ (тяготение) – универсальное взаимодействие (только притяжение) между любыми видами материи – частицами вещества и физическими полями. Из четырех известных фундаментальных взаимодействий гравитационное самое слабое. Гравитация, подобно электромагнитному взаимодействию, является дальнодействующим эффектом, выражаемым универсальным законом всемирного тяготения (Ньютон, 1687 г.). Переносчиком сил тяготения в квантовой теории считается квант гравитационного поля – т.н. гравитон, имеющий нулевую массу покоя (аналогично фотону), и спин, равный 2.

ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ ПРИНЦИП – принцип, сформулированный вмеханистической картине мира, согласно которому гравитационные силы передаются мгновенно от одного тела к другому, а не от одной точки пространства к последующей, близлежащей точке, как в современной теории поля. Согласно принципу дальнодействия, гравитационные силы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.

ДВИЖЕНИЕ – важнейший атрибут материи, способ ее существования; в самом общем, широком смысле изменение вообще, всякое взаимодействие ма­териальных объектов (в естествознании), всякое воздействие любых объектов друг на друга, их взаимную обусловлен­ность и порождение одним объектом другого (в гуманитар­ной сфере, в том числе); в узком смысле – изменение по­ложения тела в пространстве. Мысль об универсальности движения возникла в глубокой древности: «незнание движения необходимо влечет за собой незнание природы» (Аристотель). Движение как понятие, противоречиво по своей сути, поскольку заключается в неразрывном единстве про­тивоположных аспектов – изменчивости и устойчивости, прерывности и непрерывности, абсолютного и относитель­ного, перемещения и покоя. В противоречивом единстве изменчивости и устойчивости, например, ведущую роль играет изменчивость, ибо все новое появляется через нее, а устойчивость, покой лишь фиксируют достигнутое в этом процессе. Итак, абсолютного движения нет, поскольку нет абсолютно покоящихся тел, поэтому действительное дви­жение всегда относительно. В психологии созерцание дви­жения имеет своей предпосылкой тождество как одну из категорий связи, состояния, при котором наблюдаемый предмет равен самому себе во времени.

ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА – а) спонтанное деление – процесс самопроизвольного распада тяжелых радиоактивных элементов на два ядра-осколка и два или три нейтрона. Этот процесс имеет для природных радиоизотопов урана или тория вероятность на несколько порядков меньшую, чем свойственный им же альфа-распад, однако для ряда искусственных очень нестабильных трансурановых элементов – это основной канал распада; б) вынужденное деление – процесс деления атомных ядер тяжелых элементов под действием внешних нейтронов различной энергии, захватываемых ядром и переходящим при этом в возбужденное состояние с образованием впоследствии двух ядер-осколков и двух или трех нейтронов.

ДИСКРЕТНОСТЬ – можно рассматривать как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. С дискретной точки зрения строение материи можно представить в виде такой структуры, которая предполагает возможность ее конечного деления на все уменьшающиеся отдельные части, начиная от молекул и атомов и кончая элементарными частицами и кварками.

ДИФРАКЦИЯ – отклонение света от прямолинейного направления. Такое явление наблюдается при прохождении света через узкие щели или огибании препятствий.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ ПРИНЦИП – принцип, сформулированный выдающимся датским физиком Нильсом Бором (в 1927 г.) в рамках концепции квантовой механики, согласно которой получение экспериментальной информации о каких-либо физических величинах, описывающих объект, принадлежащий микромиру (частицу, атом, квант поля и т.п.), неизбежно влечет за собой потерю информации о некоторых других параметрах этого объекта, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными друг к другу параметрами являются, например, координата движущейся частицы и величина ее скорости (или импульс), величины кинетической и потенциальной энергии одной и той же частицы и т.п. некоммутирующие параметры. Принцип приобрел широкое значение и применяется в случае, когда речь идет о дополнении противоречивых признаков.

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ – физические законы, утверждающие постоянство во времени физических величин, характеризующих изолированные системы. Некоторые законы сохранения являются универсальными, т.е. справедливы для любых изолированных систем. Это закон сохранения вещества (массы), энергии, импульса, момента количества движения, электрического, барионного и лептонного зарядов. Универсальность законов сохранения делает их важным инструментом проверки непротиворечивости любых физических теорий, претендующих на полноту объяснения каких-либо явлений природы. Кроме универсальных законов сохранения существуют и приближенные законы, справедливые для ограниченного круга явлений и систем, что довольно часто имеет место в квантовомеханических процессах при взаимопереходах элементарных частиц. В микромире существуют процессы, разрешенные многими законами сохранения, но запрещенные каким-либо одним. Специфика такого рода процессов состоит в том, что они на практике либо не наблюдаются совсем, либо происходят с крайне малой вероятностью. Существует очень важная для любой физической теории фундаментальная теорема Нётер, которая ставит в соответствие каждому закону сохранения присущий именно ему тип симметрии. Это доказывает глубокую внутреннюю связь универсальных законов сохранения и фундаментальных свойств пространства и времени.

ИЗОМОРФИЗМ – 1) (в математике) понятие, уточняющее широко распространенное понятие аналогии, модели, а именно, изоморфизм – соответствие (отношение) между объектами, выражающее тождество их структуры (строения); 2) (в химии, физике) свойство химически и геометрически близких атомов, ионов и их сочетаний замещать друг друга в кристаллической решетке, образуя кристаллы переменного состава.

ИЗОТРОПИЯ – независимость свойств физических объектов (пространства, вещества и др.) от направления. Характерна для жидкостей, газов и аморфных состояний твердых тел (противоположность – анизотропия).

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ – 1) (в физике) интерференция волн – явление усиления или ослабления амп­литуды накладывающихся друг на друга (складывающихся или интерферирующих) волн в зависимости от разности их фаз в той или иной точке пространства; интерфе­ренция имеет место для любых волн независимо от их при­роды. Светлые кольца появляются в тех местах, где совпадают гребни волн, темные – в местах совмещения гребней и впадин волн; 2) (в биологии) взаимодействия, обычно неблагоприятные, например подавление размножения, возникающие при наличии близких соседей того же или близких видов. В таком случае иногда употребляется вместо термина конкуренция.

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА – (также волновая механика) неклассическая теория, позволяющая описать закономерности различных процессов движения, взаимодействия и превращения элементарных частиц вещества и полей в масштабах микромира – субатомной реальности. В основе квантового подхода лежит гипотеза выдающегося немецкого физика Макса Планка, выдвинутая в 1900 году (позднее подтвержденная экспериментально), о том, что в микромире все процессы изменения и превращения энергии происходят не непрерывно, а скачками, т.е. квантами (порциями), причем наименьшая порция энергии соответствует т.н. кванту действия и выражается фундаментальной величиной – постоянной Планка. Помимо дискретности энергетических состояний объектов микромира, существует еще одно принципиальное отличие его от макромира – это наличие у частиц материи волновых свойств, а у волн электромагнитного поля – корпускулярных (т.н. корпускулярно-волновой дуализм). Волновое уравнение Шредингера соответствует волновому характеру движения в пространстве объектов микромира, а решения его в виде волновых функций в квантовой механике описывают специфические особенности вероятностного поведения микрообъектов, обусловленные явлением нелокальности, несуществующим в классической механике, но совершенно обычном в мире элементарных частиц

КВАРКИ – шесть пар элементарных частиц (шесть кварков и столько же антикварков), считающихся в современной теории элементарных частиц «истинными фундаментальными кирпичиками» вещества, из которых «состоят» все остальные частицы, кроме лептонов. Из шести пар кварков путем различных комбинаций по два в случае мезонов и по три для барионов и гиперонов можно составить все существующие адроны (частицы, взаимодействующие по типу сильного взаимодействия). Причем истинный механизм сильного взаимодействия состоит в том, что на самом глубоком уровне именно кварки, обмениваясь глюонами, обусловливают характер сильного взаимодействия, обеспечивая существующую степень стабильности адронов. Представления о кварках (сначала только о трех) ввели в 1963 году независимо друг от друга американские физики М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг. В 1969 году на трехкилометровом Стэнфордском ускорителе (Калифорния, США) были получены экспериментальные доказательства существования кварков. Само название «кварк» Гелл-Манн взял из романа Джойса «Поминки по Финнегану», где оно отражает атмосферу абсурда. Дело в том, что свойства этих частиц не вписывались в уже известные квантовые характеристики. Для них пришлось вводить новые квантовые параметры, такие, как «цвет», «шарм» (очарование), «красота», «аромат», т. е. термины, не имеющие на самом деле никакого отношения к привычным их значениям, а просто служащие для обозначения ряда сохраняющихся при взаимодействиях частиц квантовых параметров.

КОНТИНУУМ – 1) (в математике) непрерывное многообразие, например, совокупность всех точек прямой или какого-либо ее отрезка, эквивалентная совокупности всех действительных чисел; 2) (в физике) сплошная материальная среда, свойства которой изменяются в пространстве непрерывно; в теориях относительности Эйнштейна возникли представления об единых четырехмерных пространствах-времени (континуумах) Минковского (неевклидов континуум) и Римана (риманов континуум), как некоторых математических построениях, имеющих тот физический смысл, что континуум связи всего происходящего – духовного и материального – реально существует, напротив, 3) (в философии) считается, что подобный континуум постижим только как чистая абстракция, что только абстрактное мышление способно создавать непрерывность (континуитивность, континуальность), тогда как жизнь, конкретный мир переходит из одного состояния в другое внезапно, вдруг, через «скачок», скачком; 4) в широком смысле – непрерывность, неразрывность явлений, процессов.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ – явление двойственности или двуединости, совмещающее корпускулярное и волновое поведение объектов микромира – элементарных частиц и фотонов (квантов электромагнитного поля). Оно состоит в том, что в зависимости от энергии, электромагнитное излучение (в частности, свет), в оптических опытах проявляющее волновые свойства – дифракцию и интерференцию, в других случаях проявляет корпускулярные свойства, т.е. волны ведут себя как частицы, передавая импульс другим частицам, например, выбивая электроны из металлов.

МЕХАНИСТИЧЕСКИЙ ДЕТЕРМИНИЗМ – постулат, сформулированный в рамках механистического описания, согласно которому всеми процессами природы управляют жесткие причинно-след­ственные связи, которые в принципе могут быть однозначно описаны соответствующей системой динамических уравнений и представлены в виде точных траекторий движения. Природа, отраженная в таком «механико-математическом зеркале», во всех своих проявлениях становится достоверно предсказуемой научными методами. Эта грандиозная детерминистская утопия известна в философии как «демон Лапласа». П. Лаплас (1749–1827 гг.): «Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить все данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором».

НЕЙТРИНО – электрически нейтральная элементарная частица, имеющая полуцелый спин (1/2) и участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Таким образом, нейтрино принадлежит к классу лептонов, а по статистическим свойствам относится к фермионам. Образуется при бета-распаде атомных ядер и свободных нейтронов, а также при распаде «пи» и «ка»-мезонов. Отличается от всех прочих частиц феноменально малой вероятностью взаимодействия с веществом, что долгое время создавало принципиальные трудности при объяснении кажущегося нарушения закона сохранения массы-энергии в процессах бета-распада. В настоящее время представление о нейтрино, согласующееся с экспериментальными данными, рисует эту частицу как стабильную, не имеющую массы покоя (или по крайней мере, имеющую массу порядка 10^-5 от массы электрона), и обладающую необычной характеристикой – спиральностью вращения проекции спина на направление движения, причем левовинтовым нейтрино соответствуют по законам симметрии правовинтовые антинейтрино. Предсказал существование частицы с такими свойствами в 1930 году известный швейцарский физик Вольфганг Паули, пытаясь «спасти» закон сохранения энергии в бета-распаде. После открытия в 1932 году нейтрона (тяжелой нейтральной частицы) её предложили назвать нейтрино – т.е. маленький нейтрон. Зарегистрировать же её удалось только в 1953 году, хотя всё пространство буквально «кишит» ими. Нейтрино в огромном количестве образуются при ядерных и термоядерных реакциях, протекающих в ядерных реакторах, а также в недрах Земли, Солнца и звезд, однако, их проникающая способность столь велика, что они, в среднем, могут проходить в веществе расстояния порядка сотен световых лет. Но, несмотря на большие трудности, сопровождающие их регистрацию, нейтрино предоставляют уникальную возможность изучать внутреннюю структуру космических объектов (звезд, ядер галактик) и закономерности их эволюции.

НЕЙТРОН – электрически нейтральная частица со спином ½ и массой 1840 электронных масс (э.м.). По своим квантовомеханическим параметрам относится к классу адронов и входит в группу барионов (барионный заряд +1), а по статистическому поведению является фермионом. Участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. Наряду с протоном входит в состав атомных ядер, причем различное количество нейтронов в ядре атома какого-либо химического элемента обусловливает наличие изотопов этого элемента. В свободном состоянии нестабилен, распадается на протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада примерно 12 мин. Будучи нейтральным, легко проникает в атомное ядро и захватывается им, превращая данный атом в искусственный радиоактивный изотоп (реакция активации), который потом распадается по типу бета-распада. Попадая в ядра тяжелых элементов (уран, торий и т.п.), нейтроны при соответствующей энергии, помимо активации, могут вызвать реакцию деления ядер, а при наличии достаточного количества делящегося материала (критическая масса) и подходящих условий – вызвать неуправляемую цепную реакцию деления (ядерный взрыв в т.н. атомной бомбе) или управляемую ядерную реакцию (медленное «горение» в ядерном реакторе). Нейтроны в свободном состоянии нестабильны, они распадаются по типу бета-распада на протоны, электроны и антинейтрино. Открыл нейтроны английский физик Джеймс Чедвик в 1932 году, он же один из первых рассчитал величину критической массы урана-235, необходимой для осуществления ядерного взрыва. Эта масса составляет примерно 1 кг.

НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ПРИНЦИП – сформулирован выдающимся физиком В. Гейзенбергом в виде соотношения неточностей при определении сопряженных величин в квантовой механике. Если мы стремимся определить значение одной из сопряженных величин в квантово-механическом описании, например координаты х, то значение другой сопряженной величины, а именно импульса р = mv, нельзя определить с такой же точностью. Иначе говоря, чем точнее определяется одна из сопряженных величин, тем с меньшей точностью определяется другая величина.

НЬЮТОНА ЗАКОНЫ (законы механики) – три уравнения движения, позволяющие полностью описать закономерности процесса перемещения тела под действием какой-либо силы или комбинации сил. 1. Закон инерции (закон Галилея): тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют внешние силы. Таким образом, инерция – это способность тела сопротивляться любому изменению состояния его движения, – как ускорению, так и замедлению. 2. Закон ускорения: ускорение a, приобретаемое телом, прямо пропорционально величине действующей силы F и обратно пропорционально массе m этого тела. 3. Закон равновесия (стационарности ): в стационарном состоянии всякая сила, действующая на тело, вызывает равную ей по величине и противоположную по направлению (противодействующую) силу.

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ПРИНЦИП – впервые этот принцип был установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил лишь в механике Ньютона. Согласно этому принципуво всех инерциальных системах все механические процессы описываются одинаковым образом. Между покоем и равномерным прямолинейным движением нет никакой разницы, они описываются одними и теми же законами. Никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно.

ПОЗИТРОН – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Теоретически предсказана знаменитым английским физиком Полем Дираком в 1931 году на основании общих представлений о симметрии мира и в 1932 году была экспериментально обнаружена американским физиком К.Д. Андерсоном в составе космических лучей. Открытие позитрона имело фундаментальное значение, поскольку вместе с ним возникло представление об антивеществе и антимире как зеркально-симмет­ричном варианте нашего мира, и побудило физиков к обнаружению и других античастиц. Эти поиски увенчались успехом и полностью подтвердили идею о зеркальной симметрии в мире элементарных частиц.

ПОЛЕ (физическое поле) – особая форма материи, физическая система, обладающая бесконечным числом степеней свободы. Примерами могут быть электромагнитное поле, гравитационное поле (поле тяготения), поле ядерных сил, волновые квантованные поля элементарных частиц. Понятие поля, пронизанного силовыми линиями, введено в физику выдающимся английским физиком Майклом Фарадеем в 30-е годы ХIХ века для описания механизма действия электрических и магнитных сил в качестве альтернативы ньютоновским представлениям о дальнодействии, т.е. о процессах взаимодействия тел на расстоянии без какого-либо посредника – переносчика силы. Поле выполняет роль посредника, передавая от точки к точке пространства действие одного тела или заряда на другой. Такой процесс передачи силового взаимодействия получил название близкодействия.

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД – самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер естественных химических элементов (и их искусственных изотопов) в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерного излучения различного типа. Впервые явление радиоактивности обнаружено в 1896 году французским физиком Анри Беккерелем в природных соединениях урана, из которых в 1902 году выдающийся французский физикохимик польского происхождения дважды лауреат Нобелевской премии Мария Склодовская-Кюри (которая и ввела в научный обиход термин «радиоактивность») получила сначала соль радиоактивного элемента радия – одного из дочерних продуктов распада урана, а в 1910 году совместно с французским химиком А. Дебьерном выделила чистый металлический радий. Она же в эти годы открыла и радиоактивный элемент полоний. Величина активности радионуклидов измеряется в Беккерелях; 1 Бк =1 распад в секунду в системе СИ, иногда применяется и внесистемная единица: 1 Кюри =3,7*1010 Бк. Известно четыре типа самопроизвольных ядерных превращений: альфа-распад, бета-распад, электронный захват и спонтанное деление тяжелых ядер – урана, тория и трансурановых искусственных элементов.

Изомерный ядерный переход из возбужденного энергетического состояния в основное, например, после предшествующего бета-распада, в результате чего испускается ядерное гамма-излучение, в строгом смысле распадом не является, т.к. при этом атомное ядро химического элемента не изменяется. Радиоактивный распад – явление статистической природы, обусловленное внутренней неустойчивостью ядер, имеющих избыток или недостаток нейтронов, по сравнению со стабильными изотопами этих элементов.

Числовой характеристикой неустойчивости является т.н. постоянная распада k, имеющая физический смысл вероятности распада. Часто используется понятие периода полураспада T1/2 – времени, в течение которого распадется в среднем половина исходного количества данного радионуклида. Эти параметры связаны соотношением T1/2=ln2/k. Среднее число распавшихся радиоактивных атомов N(t) зависит от времени экспоненциально, N(t)=N0*e-kt, но при условии достаточно большого количества радиоактивного вещества, когда справедлив закон больших чисел. О моменте распада изолированного атома, даже зная период полураспада, ничего определенного сказать нельзя.

Периоды полураспада различных радионуклидов (искусственных и природных) колеблются в пределах от тысячных долей секунды до миллиардов лет. Долгоживущие естественнорадиоактивные изотопы остались в земной коре со времени образования Земли и служат материалом для геохронологии (например, калий-40 – 1,3*109 лет, уран-238 – 4,5*109 лет, торий-232 – 1,4*1010 лет). Используя закономерности радиоактивного распада реликтовых радионуклидов, Э. Резерфорд и П. Кюри предложили в 20-х годах абсолютную геохронологическую шкалу. Анализируя данные по распаду природных радиоизотопов, геофизики оценили возраст Земли примерно в 4,5 – 4,6 млрд. лет. В археологии также широко применяется метод радиоуглеродного датирования древесных образцов по степени распада накопившегося в них природного радиоизотопа углерод-14 (T1/2 = 5500 лет).

СИММЕТРИЯ – одно из фундаментальных свойств физических предметов и геометрических фигур и тел, допускающее такие преобразования, при которых эти объекты выглядят так же, как и до преобразований. Для системных объектов, состоящих из более или менее эквивалентных элементов, симметричными будут такие преобразования, при которых сохраняется первоначальная структура данной системы в целом. Эти преобразования обеспечивают сохранение совокупности как самих элементов и частей системы, так и соотношений и связей между ними, в которых они состояли до выполнения преобразований. Многие структуры обладают такими элементами симметрии, как: зеркальные отражения (т.н. четность), повороты вокруг осей вращения, пространственные (трансляционные) и временные сдвиги и т.д. При описании физических процессов эти типы симметрии соответствуют симметричной противоположности положительных и отрицательных электрических зарядов, выражаются законами сохранения энергии, количества движения и момента импульса, а также соответствуют обратимости во времени любых динамических процессов, т.е. утверждают принцип инвариантности законов физики относительно таких преобразований координат, или в более широком смысле – представляют симметрию физических законов. Аннигиляция частицы и античастицы, рождение электрон-позитронной пары и некоторые другие явления микромира также представляют собой особое проявление симметрии. Однозначность связи тех или иных законов сохранения с соответствующими типами симметрии доказана в т.н. теореме Нётер, – и это является фундаментальным свойством материального мира.

Симметрия различного типа проявляется в пространственном строении молекул химических соединений, кристаллов, биологических объектов. В мире, например, широко представлена зеркальная симметрия, весьма строгая в неживой природе (кристаллические формы) и приблизительная у живых объектов (тело человека и животных, листья и плоды растений и т.д.). Пространственная структура всех видов неживой материи и высших иерархических уровней живого в целом симметрична, т.е. нет никаких значительных отклонений правого от левого, тогда как для элементарного уровня живого вещества и для органических молекул всегда характерна асимметрия. Так, органические соединения, существующие в природе и создаваемые живыми организмами (сахара, белки, аминокислоты и т.п.), представлены только какой-либо одной (сахара – правовращающей, аминокислоты – левовращающей) пространственной конфигурацией, причем обратные структуры этих веществ, произведенные искусственно и химически полностью тождественные, живой организм усваивать не будет. На это свойство молекулярных структур, связанное с деятельностью живого вещества (т.н. киральность), обращали внимание В.И. Вернадский и П. Кюри как на важнейшее и принципиальное отличие живой материи от неживой, выдающийся французский микробиолог Луи Пастер указывал на асимметрию как на важнейшее отличие живых структур от неживых.

ТЕОРЕМА НЕТЕР – фундаментальная теорема математической физики, утверждающая, что существование любой конкретной геометрической симметрии (сдвиг, поворот, вращение и т.д.) в пространстве и времени для различных тел, систем материальных частиц или физических полей приводит к соответствующему закону сохранения физических величин. Эту теорему доказала в 1918 году Эмми Нётер – известный немецкий математик. В дальнейшем её применение было расширено на квантовомеханические объекты и широко используется для построения т.н. групп симметрии в теории элементарных частиц. В большой степени, именно на основе анализа свойств той или иной группы симметрии были теоретически предсказаны многие элементарные частицы и их свойства и, наконец, последние «самые элементарные» – кварки, из которых, по известным и строгим правилам симметрии, «строятся» все остальные барионы, мезоны и гипероны. Из теоремы Нётер в самом общем виде следует, что такие абстрактные понятия, как пространство и время неразрывно связаны с конкретными проявлениями движения и взаимопревращения материальных объектов – частиц вещества и физических полей.

Из этой теоремы вытекает и конкретная структура данного инварианта. Например, в механике из того факта, что все процессы протекают инвариантно (т.е. неизменно) относительно сдвига во времени, следует универсальный закон сохранения энергии. Это обстоятельство (сдвиг во времени) выражает физическое свойство равноправия всех моментов времени, каждый из которых условно можно принять за нулевой (начало процесса). Из инвариантности процессов по отношению сдвигов в пространстве (что выражает равноправие всех точек и систем отсчета в пространстве) следует закон сохранения импульса или количества движения. Симметрия вращения системы вокруг своей оси, выражающая свойство равноправия всех направлений в пространстве, соответствует закону сохранения момента количества движения. Зеркальная пространственная симметрия, выражающая факт независимости протекания физических процессов при выборе обратной системы координат, соответствует квантовомеханическому закону сохранения четности и т.д.

ТЕРМОДИНАМИКА – раздел физики, изучающий общие свойства и состояния термодинамических систем, закономерности фазовых переходов между ними как в равновесных условиях (равновесная термодинамика), так и в неравновесных (термодинамика неравновесных процессов). Термодинамика строится на основе трех фундаментальных принципов (эмпирических обобщений):

ü первое начало – количество теплоты, сообщенное системе, идет на увеличение её внутренней энергии и на совершёние ею механической работы (закон сохранения энергии). Сформулировано в середине XIX-го века трудами Р. Майера, Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца;

ü второе начало – в изолированной системе энтропия либо остается неизменной (при идеальном обратимом процессе), либо возрастает и в состоянии теплового равновесия достигает максимума (закон возрастания энтропии). Сформулировано выдающимся немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в 1865 году, обосновано методами статистической физики Л. Больцманом в 1872 году. Из него, в частности, следует невозможность самопроизвольного перехода тепла от холодного тела к более теплому и осуществления вечного двигателя.

ü третье начало – энтропия системы при стремлении температуры к абсолютному нулю (-273^о Цельсия) не зависит от параметров системы и стремится к нулю (теорема Нернста-Планка). Нулевое значение энтропии соответствует состоянию абсолютного порядка в системе, когда фактически невозможны никакие, даже самые малые, флуктуации. Однако такие состояния не могут реализоваться в силу того, что квантовому вакууму присущи неустранимые флуктуации энергии, из чего вытекает недостижимость абсолютного нуля в реальных термодинамических процессах.

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ – физическая теория пространства и времени и их взаимосвязи с материей и законами её движения. Специальная теория относительности (СТО), описывает законы движения объектов с релятивистскими скоростями. Эта теория базируется на двух постулатах, один из которых является обобщением механического принципа относительности Галилея и состоит в том, что в любых инерциальных системах отсчета все без исключения физические процессы протекают одинаково, а другой постулат обобщает опыты Майкельсона-Морли, установившие независимость скорости света в вакууме от направления движения источника. Этот постулат утверждает абсолютный характер скорости света как предельной величины при движении материальных объектов и отвергает представления Ньютона об абсолютном характере пространства и времени и независимости их от материи. Это не значит, что СТО полностью отвергает ньютоновскую модель, просто она ограничивает область применимости классической теории движения дорелятивистскими скоростями, т.е. фальсифицирует классическую механику, подтверждая тем самым, согласно К. Попперу, её научный характер. Общая теория относительности (ОТО), в которой А.Эйнштейн обобщил СТО на неинерциальные системы. В основе этого подхода к проблеме тяготения лежит принцип эквивалентности гравитационной и инертной масс физических тел и принцип относительности, а феномен сил тяготения трактуется как «искривление пространства», возникающее в результате влияния масс вещества. Уравнения ОТО описывают изменение геометрических свойств пространства-времени (пространственно-временную метрику) в зависимости от взаимного расположения тяготеющих масс, что не только эквивалентно ньютоновской интерпретации, в которой массивные тела создают ту или иную конфигурацию силовых полей тяготения, описываемых законом всемирного тяготения, но и выявляют более тонкие эффекты, не учитываемые в ньютоновской модели. Таковыми являются: а) искривление светового луча в поле тяготения, б) смещение перигелия орбиты планеты Меркурий под воздействием гравитации Солнца и в) т.н. гравитационное красное смещение. Все три эффекта в настоящее время проверены экспериментально и количественно с достаточной точностью соответствуют предсказаниям ОТО.

Из уравнений ОТО, отображающих фундаментальные свойства Вселенной, вытекают три решения – стационарное, которое получил сам Эйнштейн и которое не находило должного обоснования, и два нестационарных, которые в 1922 году нашел русский ученый А.А. Фридман (1888–1925), доказавший тем самым возможность нестационарного характера Вселенной. Именно эти два решения лежат в основе теории эволюции Вселенной (модель Большого взрыва), и одно из них, описывающее расширение космического пространства (разбегание галактик), получило экспериментальное подтверждение и оформлено в т.н. законе Хаббла. Общая теория относительности обусловила бурное развитие космологии как самостоятельной научной дисциплины и, несмотря на целый ряд появившихся к концу XX века альтернативных теорий гравитации, подвергающих её критике, по-прежнему лежит в основе современной космологической парадигмы.

УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ – установки для получения потоков элементарных частиц (протонов, электронов), а также некоторых ядер, имеющих высокую кинетическую энергию (многие десятки, сотни и в последние годы даже тысячи Мэв). Ускорение происходит за счет энергии электромагнитного поля передаваемой частицам. Существуют линейные и циклические (кольцевые) ускорители, позволяющие получать мощные направленные потоки частиц, ускоренных до субсветовых скоростей, при которых увеличение массы частиц из-за релятивистских эффектов достигает двух – трех порядков. Ускорители – важнейшие инструменты для исследований в области ядерной физики и физики элементарных частиц, с появлением и широким использованием которых связаны главные достижения и открытия в этих науках. Последним крупнейшим достижением в этой области было экспериментальное доказательство существования кварков – фундаментальных «кирпичиков» материи.

Исторически первым ускорителем был ускоритель американского физика Р. Ван-де Граафа (1901–1967), разработанный им в 1931 году, который используется и сейчас для ускорения тяжелых ионов и представляет собой высоковольтный электростатический генератор, создающий разность потенциалов в несколько мегавольт, достоинством которого является непрерывность действия и высокая стабильность. В 1929 году американский физик Э.О. Лоуренс (1901–1958) выдвинул идею магнитного резонансного ускорителя – т.н. циклотрона, первый образец которого был запущен под его руководством в 1931 году (Нобелевская премия за 1939 год). При помощи циклотрона были выполнены исследования структуры атомного ядра, изучены многие ядерные реакции, получен ряд радиоизотопов и многое другое.

В начале 40-х годов был разработан индукционный циклический ускоритель электронов – бетатрон, а также импульсные линейные индукционные ускорители, где эффект ускорения достигается при передаче энергии вихревого электрического поля, создаваемого переменным магнитным потоком (как бы первичной обмоткой трансформатора), движущимся заряженным частицам, играющим роль вторичной обмотки. Бетатроны широко используются в науке и промышленности как источники мощного потока высокоэнергетических электронов, так и для получения интенсивных потоков тормозных гамма-фотонов широкого спектра высоких энергий. В 1944–1945 годах отечественный физик В.И. Векслер (1907–1966) и американский Э.М. Макмиллан выдвинули и обосновали ряд идей, приведших к созданию т.н. синхрофазотронов – ускорителей протонов, позволяющих получать пучки частиц с чрезвычайно высокой энергией. Первый из таких ускорителей был пущен в Серпухове в 1972 году и ускорял протоны до энергий в несколько десятков миллионов Мэв (десятков Гэв), ускоритель, построенный в Батавии (США) в 1978 году, показал результат 500000 Мэв (500 Гэв), ускоритель, работающий в ЦЕРНе (Швейцария), ускоряет протоны до нескольких тысяч Гэв, а гигантский ускоритель, строящийся в пустыне штата Невада (США) со сверхпроводящими обмотками электромагнитов, обеспечит, согласно расчетам, выход энергии, возникающей при столкновении двух ускоренных в противоположных направлениях пучков протонов, порядка 20000 Гэв. Это т.н. сверхпроводящий суперколлайдер (т.е. «столкновитель»). Диаметр кольца этой исполинской машины столь велик, что внутри могло бы поместиться маленькое европейское государство Люксембург.

Релятивистские эффекты при работе таких ускорителей становятся доминирующими и учитываются с помощью формул теории относительности, введенных в программы компьютеров, управляющих процессом передачи энергии от электромагнитов к потоку частиц. Энергетический выход в эксперименте можно увеличить (хотя и не так сильно, как в классической физике) при столкновении не ускоренного пучка частиц с неподвижной мишенью (как в стандартных условиях), а при столкновении двух встречных пучков ускоренных частиц (ускорители со встречными пучками). В самые последние десятилетия XX века начали ставить эксперименты со встречными пучками частиц-античастиц, еще многократно повышая этим энергию взаимодействия. Так в 1983 году были открыты очень массивные частицы – переносчики слабого взаимодействия, имеющие массу покоя порядка 80-90 масс протона, предсказанные в теории электрослабого взаимодействия С. Вайнбергом, А. Саламом и Ш. Глэшоу (Нобелевская премия за 1979 год).

ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ – вквантовой теории поля рассматривается как низшее энергетическое состояние квантованных полей, в котором отсутствуют какие-либо реальные частицы. Однако возможность виртуальных процессов в вакууме приводит к определенным эффектам при взаимодействии его с реальными частицами. В квантовой теории поля понятие физического вакуума считается основным, поскольку его свойствами определяются свойства всех других состояний системы.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ – основные физические параметры, которые «отвечают» за все процессы, происходящие в природе на разных уровнях реальности (таких, как микромир, макромир, мегамир), и известные значения которых, в свете современных теорий, принципиальны для обеспечения устойчивости Вселенной и её долговременного развития. К основным фундаментальным константам относятся:

1) скорость света с=3*10⁸ м/сек,

2) гравитационная постоянная G=6,627*10 ^–11 м³ кг^-1сек^-2,

3) постоянная Планка h = 6,62377*10 ^–34 кг м² сек^-2,

4) масса протона m_p=1,6224*10 ^–27 кг,

5) масса нейтрона m_n=1,6749*10 ^–27 кг,

6) масса электрона m_e = 9,106*10 ^–31 кг,

7) масса альфа-частицы m_a=6,6444*10 ^–27 кг,

8) заряд электрона q_e = 1,602*10 ^–19 Кулона,

9) постоянная тонкой структуры a =2 p q_e²c^-1h^-1=1/137, характеризующая электромагнитное взаимодействие элементарных частиц.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ – четыре физических взаимодействия, к которым сводится всё многообразие процессов макромира, микромира и мегамира. 1. Сильное ядерное, переносчик обменный пи-мезон (пион), масштаб действия примерно – 10^{-15 м,} связывает нуклоны в атомном ядре. 2. Электромагнитное, переносчик фотон, дальнодействующее выражается законом Кулона. 3. Слабое ядерное, переносчик промежуточный векторный бозон, средний радиус действия примерно 10^-17 м, приводит к бета-распаду ядер. 4. Гравитационное, переносчик гравитон, дальнодействующее, выражается законом всемирного тяготения Ньютона.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ – субатомные объекты, представляющие собой специфическую форму структурной организации вещества в микромире. Могут быть стабильными: электрон, протон, нейтрино, фотон и нестабильными: нейтрон, различные мезоны и гипероны, а также представлять класс особенно короткоживущих, (порядка 10^-24 сек.), называемых резонансными. Лептоны составляют класс легких частиц, мезоны – это промежуточные по массе между барионами (т.е. тяжелыми или, правильнее, массивными частицами) и лептонами, а гипероны – это «сверхмассивные» частицы. В настоящее время с помощью ускорителей обнаружено очень большое количество элементарных частиц (несколько сотен), представляющих класс адронов (т.е. сильно взаимодействующих), среди которых только барионы – протон и нейтрон широко распространены и составляют основу строения мира. Все остальные объекты микромира короткоживущи и практически мгновенно распадаются за счет слабого или сильного взаимодействия. В действительности (кроме лептонов – фотона и нейтрино и м.б. электрона) все эти объекты элементарными не являются, а имеют сложную внутреннюю структуру.

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА – представление об универсуме, о мире и его процессах, выработанное физикой на основе эмпирического и теоретического познания. В физической картине мира отражается господствующая на тот или иной исторический момент физическая парадигма: в античное время это космоцентризм (геоцентризм Птолемея как высшая его теоретическая форма) и сменивший его в XVI – XVII веках гелиоцентризм и механицизм Галилея – Ньютона, в начале XX века атомизм, позднее – динамизм и энергетизм, в последние годы XX века – неразрывность пространственно-временного многообразия (искривленного пространственно-временного континуума – наиболее полно выражено в общей теории относительности) и корпускулярно-волновых свойств материи (наиболее полно вы­ражено в квантовой механике и в квантовой хромодинамике). Физическая картина постепенно утрачивала наглядный, модельный вид, качественные различия все более сводились к количественным, так что современная физическая картина мира состоит из недоступных наблюдению уравнений, значение которых трудно для понимания «непосвященным», она не является более «картиной». Прежде всего стало совершенно абстрактным понятие материальной действительности, так что, согласно Планку, прогрессирующее удаление физической «картины» мира от мира чувственного означает не что иное, как увеличивающееся приближение к реальной действительности (от ранее идеальной абсолютизированной), к физическому миру, трансцен­дентному по отношению к переживаниям.

УКАЗАТЕЛЬ

ТЕРМИНОВ

РАЗДЕЛА III

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ АППАРАТ КОСМОЛОГИИ

АСТРОНОМИЯ – наука о строении и развитии космических тел, об­разуемых ими систем и Вселенной в целом. Является древ­нейшей из естественных наук, возникшей из практических потребностей человечества (предсказание сезонных явлений, счет времени, определение местоположения на земной и морской поверхности и т. д.). Основные достижения астрономии связаны с именами Птолемея, Коперника, Кеплера, Галилея, Ньютона, Лапласа, Эйнштейна, Фридмана, Хаббла, Гамова. Крупнейшим достижением в XX веке стала релятивистская космология – теория эволюции Вселенной в целом.

АСТРОФИЗИКА – междисциплинарная наука, изучающая физическую природу, процессы, физическое состояние, химический состав небесных тел и их систем, околосолнечное, межзвездное и межгалактическое пространство.

АСТЕРОИДЫ (звездоподобные) – малые планеты, находящиеся в пределах Солнечной системы (в основном, между Марсом и Юпитером в т.н. поясе астероидов), имеющие размеры в поперечнике от 1 до 1000 км. По одной из версий теории строения Солнечной системы пояс астероидов состоит из осколков планеты Фаэтон, разрушенной в результате космической катастрофы «местного значения». Эта гипотеза, высказанная в конце XVIII-го века немецким астрономом Ольберсом и пользовавшаяся некоторое время популярностью, в настоящее время считается необоснованной, поскольку противоречит некоторым достоверным астрофизическим фактам, касающимся относительного времени образования планет. Периодическими падениями на Землю крупных астероидов, приводящими к коренному изменению климатических условий на планете, сторонники теории катастроф (например, французский натуралист Ж. Кювье (1769–1832) и др.) объясняют важнейшие закономерности эволюции земной биосферы.

АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП – антропоцентристская космологическая гипотеза, которая утверждает, что все известные фундаментальные характеристики внешнего мира (физические константы, параметры взаимодействий, свойства силовых полей, элементарных частиц, атомов и всей Вселенной в целом) «подобраны» таким образом, чтобы в результате саморазвития материи неизбежно появились высшие формы живого вещества – носители сознания (в частности, человек как свидетель данной формы Вселенной). Такие выводы основаны на том, что, как показывают расчеты, основанные на последних достижениях современной физики, малейшие изменения известных величин фундаментальных квантовых и космологических констант, таких как скорость света, постоянная Планка, гравитационная постоянная, масса и заряд электрона, разница масс протона и нейтрона, соотношение интенсивности четырех фундаментальных взаимодействий, число пространственных измерений (крупномасштабная трехмерность мира) и т.д., привели бы к общей неустойчивости Вселенной, резко ускорили бы процесс эволюции космического вещества, обусловливающий образование галактик, звезд и планет, нарушился бы механизм создания ядер тяжелых химических элементов, стабильных атомов и т.п. Такое изменение хода ядерных и космических процессов, в конечном счете, исключило бы всякие возможности для возникновения и развития сложных атомно-молекулярных структур, не говоря уже о биологических формах. То есть устойчивое существование и развитие сложных систем критически зависит от соотношения фундаментальных констант, численные значения которых в настоящее время известны благодаря научному естествознанию. Так, например, астрофизик Б. Картер в 1973 году показал, что равновесие между гравитационными и электромагнитными взаимодействиями внутри звезд соблюдается с высочайшей точностью, порядка 10^-38 %, – и это ему и многим другим ученым представляется отнюдь не случайным явлением природы. Тогда же Картер выдвинул идею о том, что Вселенная должна быть такой системой, чтобы на определенном этапе её развития фундаментальные параметры допускали существование наблюдателей. Аналогичная строгость баланса сил и «подобранность» численных значений, характерна и для всех остальных типов взаимодействий и параметров микромира и космоса.

БЕЛЫЕ КАРЛИКИ – звезды, имеющие массу порядка солнечной при радиусе около 1 % от радиуса Солнца. Средняя плотность вещества таких звезд очень велика и достигает 10⁵–10⁶ г/см³. Они обладают низкой светимостью – в десятки тысяч раз меньше солнечной. Белые карлики рассматриваются в астрофизике как заключительная стадия эволюции звезд типа Солнца, которое, по современным представлениям, уже просуществовавшее около 5 миллиардов лет, в результате выгорания в термоядерных реакциях легких элементов (водорода и гелия) само достигнет такого состояния еще примерно через 5 миллиардов лет. Это должно привести к катастрофической перестройке всей планетарной структуры Солнечной системы и в этом смысле привести к завершению ее существования.

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ (модель Большого взрыва) – современная общепринятая теория происхождения и эволюции Вселенной, суть которой сводится к тому, что вся видимая область космического пространства возникла примерно 15-20 миллиардов лет назад из т.н. «сингулярности» – специфического состояния материи, характеризующегося ядерными размерами и плотностью вещества порядка 10⁹⁵ г/cм³ (плотность воды = 1 г/см³). Метафора «взрыв», в результате которого видимая часть Вселенной находится в процессе расширения (разбегание галактик), весьма условна и скорее преследует цель наглядности. С точки зрения современной физики это явление трактуется в терминах квантового перехода из состояния т.н. первичного квантового вакуума через ряд промежуточных форм к состоянию известных на сегодняшний день форм материи – вещества, состоящего из атомов и молекул, субъядерных «элементарных» частиц и некоторых видов полей, достаточно адекватно описываемых современной квантовой механикой. При этом, в отличие от взрыва в привычном понимании, разлетается не вещество и объекты Вселенной из какой-то центральной точки пространства, а как бы «раздувается» само пространство – межгалактические области Вселенной, причем условно выбранным центром для удобства математического описания процесса может быть любая точка пространства, – например, наша планета Земля. Идею типа «Большого взрыва» в первоначальном виде (теория «горячей Вселенной») выдвинул на основе предшествующих идей Леметра в сороковых годах американский физик русского происхождения Георгий Гамов, предсказав существование следов этого взрыва – т.н. реликтового излучения, открытого в середине 60-х американскими радиоинженерами Пензиасом и Вильсоном (Нобелевская премия). В настоящее время это очень сложная теория, позволяющая удовлетворительно объяснить многие экспериментальные данные и внутренне непротиворечиво, и научно правдоподобно воссоздать историю эволюции Вселенной.

ВСЕЛЕННАЯ – весь существующий доступный нашему наблюдению материальный мир (космическое пространство). Предел оптической видимости объектов наблюдаемой части Вселенной около 6,5*10²⁶ см, предел «видимости» в радиотелескопы примерно в сто раз больше. В видимой области находится около 10⁸ галактик, подобных нашей (Млечному пути), каждая из которых содержит в среднем 10¹¹ звезд, количество галактик в зоне «радиовидимости» приблизительно оценивается как 10¹¹. По современным астрофизическим данным количество вещества во Вселенной (без учета скрытой массы) оценивается по порядку величины как 10⁸⁰ нуклонов, средняя же плотность космического вещества в наблюдаемой современными методами области Вселенной (Метагалактике) очень мала и составляет около 3*10^–31 г/ см³, что на полтора порядка меньше т.н. критической плотности и эквивалентно содержанию в десяти литрах пространства всего лишь одного - двух электронов.

Согласно т.н. космологическому принципу, видимая Вселенная изотропна и однородна, не имеет какого-либо выделенного центра и по последним данным, расширяется, находясь примерно в первой трети своего цикла эволюции. Крупномасштабная однородность Вселенной сочетается с локальной неоднородностью и наличием среди огромных пространств космической пустоты сложных и упорядоченных структур – галактик, двойных звезд и планетных систем. Будучи, по современным астрофизическим данным, в целом геометрически плоской (т.е. удовлетворяющей постулату о параллельных прямых евклидовой геометрии) системой, Вселенная может характеризоваться локальной кривизной пространства, зависящей от массы находящихся в той или иной её области космических объектов.

В современной науке существует (и до сих пор окончательно не решена) важная философская проблема относительно конечности или бесконечности Вселенной, а также ограниченности или безграничности ее. Общая теория относительности допускает существование конечной, но безграничной Вселенной, т.е. такого пространства, которое имеет конечный объем, но не имеет видимых границ. Наличие во Вселенной распределенного космического вещества, которому всегда свойственно гравитационное взаимодействие (притяжение), может вызвать такое специфическое искривление пространства-времени, что оно замкнется само на себя. Тогда, например, луч света, направленный в каком-либо заданном направлении, должен, в принципе, согласно теории, вернуться в точку, из которой он вышел, так и не достигнув края Вселенной. Помимо этих соображений, рассматривая проблему ограниченности Вселенной, необходимо учитывать закон разбегания галактик Э. Хаббла.

ГАЛАКТИКА (Млечный путь) – звездная система, состоящая в среднем примерно из 10¹¹ звезд различного класса, межзвездной среды, содержащей разреженное газопылевое вещество, пронизанной магнитными полями, потоками космического излучения и т.п. Наша Галактика, в которую входит Солнечная система, относится к спиральным галактикам. Помимо спиральных, существуют эллиптические, шаровые галактики и галактики неправильной формы.

ГИПОТЕЗА (модель) Георгия Гамова «ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ» – гипотеза Георгия Гамова о физических процессах во Вселенной, согласно которой в далеком прошлом в моменты, предшествующие возникновению Вселенной, в результате «большого взрыва», Вселенная имела значительно большую, чем сейчас, плотность материи и очень высокую температуру (изображаемую фантастическим числом – единицей с тридцатью двумя нулями). После «большого взрыва» Вселенная начала расширяться, а температура образовавшихся областей пространства Вселенной снижаться. Общим подтверждением гипотезы является открытие предсказанного Гамовым реликтового излучения (термин предложен советским астрофизиком Иосифом Шкловским), констатирующим современную температуру открытого космического пространства исключительно маленькой величиной – в 2,73 К. В настоящее время некоторые ученые трактуют реликтовое излучение как мировой эфир.

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС (в астрофизике, астрономии) – катастрофически быстрое сжатие звезды на последних стадиях эволюции под действием собственных сил тяготения, превосходящих ослабевающие силы давления нагретого газа (вещества) звезды. Гравитационный коллапс перерождает звезду либо в нейтронную (рентгеновский пульсар), либо в чёрную дыру.

ЗВЕЗДНЫЕ СКОПЛЕНИЯ – группы звезд, сравнительно тесно объединенных, связанных силами тяготения и имеющих совместное происхождение и близкий химический состав. Различают рассеянные звездные скопления – от десятков до сотен звезд и шаровые – содержащие десятки и сотни тысяч звезд.

ЗВЕЗДЫ – самосветящиеся гигантские газовые (плазменные) тела, подобные Солнцу. Образуются из газовопылевой среды, состоящей в основном из водорода и гелия, в результате т. н. гравитационной неустойчивости – основной причины образования многих типов астрономи­ческих объектов, состоящей в том, что в практически пер­воначально однородной среде возникают малые возмуще­ния (флуктуации), ведущие в итоге к образованию сгуст­ков вещества, с последующим нарастанием этого процес­са. В недрах звезд, как правило, идут термоядерные реак­ции синтеза элементов вплоть до образования элементов железа. Звезды классифицируют по светимости, массе, температуре поверхности, химическому составу, особен­ностям спектра. Различают семь спектральных классов звезд: О, В, А, Г, О, К, М – от самых горячих к самым холодным. В результате звездной эволюции они становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ – это поток стабильных частиц и фотонов высоких энергий, приходящих на Землю из космического пространства, а также вторичное излучение, порожденное ими при столкновениях с атомами газов, входящих в состав атмосферы. В него входят в той или иной мере все известные элементарные частицы. Первичное излучение представлено в основном протонами (ядрами атома водорода – 91,5 %), альфа-частицами (ядрами атома гелия – 7,8 %) и небольшого количества ядер атомов прочих элементов, имеющих галактическое происхождение, и в некоторой степени обусловленных солнечной активностью. При взаимодействии космического излучения с ядрами атомов азота в атмосфере образуется радиоактивный изотоп углерод-14, который затем входит в состав углекислого газа. Общий поток первичного заряженного космического излучения, попадающего в атмосферу эквивалентен электрическому току 0,1 Ампера. Открыл космические лучи в 1912 году австрийский физик Виктор Франц Гесс.

ПАРСЕК (сокр. от параллакс и секунда) – астрономическая единица измерения звездных расстояний, равная 3,26 световых лет.

ПЕРИГЕЛИЙ – (в астрономии) ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела планетной системы, обращающегося вокруг него. Так, например, перигелий Земли составляет 147 млн. км.

ПЛАЗМА – частично или полностью ионизированный газ с равной концентрацией положительных и отрицательных зарядов. Плазма обладает электропроводностью, а при достаточно высокой температуре в ней могут идти процессы термоядерного синтеза. Практически всё вещество в космосе находится в виде плазмы различной температуры – звезды, туманности, межзвездная и межгалактическая среда. Около Земли плазма существует в ионосфере и доходит до Земли в виде т.н. солнечного ветра – потока ионизированных атомов. В течение ряда лет во многих странах ведутся исследования с целью использования искусственно поддерживаемых управляемых термоядерных реакций в плазме для получения энергии. В перечне возможных агрегатных состояний вещества (твердое, жидкое, газообразное) плазма, в силу специфических свойств, рассматривается отдельно как четвертое состояние.

ПЛАНЕТЫ – наиболее массивные тела Солнечной системы, движущиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам и светящиеся отраженным светом. Малые планеты Солнечной системы – это или спутники больших планет или очень крупные астероиды. Все планеты т.н. земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) более или менее близки по размерам, имеют примерно одинаковый химический состав, и среднюю плотность вещества (около 5 г/см³), тогда как планеты-гиганты, состоящие из застывших газов, имеют плотность примерно 1,4 г/см³, что мало отличается от средней плотности вещества Солнца. Планета-гигант Юпитер характерна тем, что излучает энергии несколько больше, чем поглощает, что позволяет рассматривать её как очень холодную звезду. Будучи несамосветящимися объектами, планеты, которые, согласно космологическому принципу, вполне могут существовать и около других звезд Галактики, очень трудно поддаются наблюдению астрономическими методами.

Дата добавления: 2015-11-04