Для школьников (по материалам учебной литературы).
В предыдущей статье говорилось об оптических приборах (лупе, микроскопе), вооружающих глаз человека при рассматривании мелких предметов.
Сейчас поговорим об ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРАХ, позволяющих глазу человека увидеть предметы, находящиеся на очень большом расстоянии от глаза (позволяющих с помощью оптики приблизить предмет к глазу) -
о ЗРИТЕЛЬНЫХ ТРУБАХ, ТЕЛЕСКОПАХ.
Первая зрительная труба с 32-кратным увеличением для астрономических исследований была построена Галилеем в 1609 году.
Зрительную трубу можно назвать и телескопом, так как по определению телескоп - прибор, предназначенный для изучения небесных тел (слово "телескоп" появилось позднее создания и использования зрительных труб).
Но прежде, чем рассматривать устройство и работу зрительной трубы (телескопа), поговорим о зарождении и развитии астрономии.
Зарождение и развитие астрономии - науки о небесных телах
Астрономия возникла в глубокой древности, в результате потребности людей определять время и ориентироваться в пространстве.
Направления движения как по суше, так и по морю определялись людьми по РАСПОЛОЖЕНИЮ ЗВЁЗД, а время связывалось с ПЕРИОДИЧНОСТЬЮ движений небесных светил.
Звёзды, как бы прикреплённые к небосводу, были названы неподвижными. Кроме неподвижных звёзд были известны 7 подвижных небесных тел: Солнце, Луна и пять планет, которым были присвоены имена римских божеств, - Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн.
Был УСТАНОВЛЕН ПУТЬ СОЛНЦА среди звёзд.
Расположенные вдоль движения Солнца созвездия, названные зодиакальными, получили имена живых существ - Овен, Телец, Рак, Лев, Козерог и др.
У большинства народов было 12 зодиакальных созвездий, и Солнце в течение года проходило каждое созвездие примерно за месяц.
Считалось, что в центре мира находится Земля, то есть господствовала ГЕОЦЕНТРИЧЕСКАЯ картина мира, просуществовавшая в течение МНОГИХ ВЕКОВ.
Но в 15-16 веках в связи с развитием мореплавания и географическими исследованиями появилась необходимость уточнять знание о положении звёзд и движении планет, появилась необходимость развивать науку.
В это время Коперником был совершён переворот в астрономии, он доказал, что в центре планетной системы находится Солнце, а не Земля (что система мира является ГЕЛИОЦЕНТРИЧЕСКОЙ), что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца.
Подобные взгляды на устройство мира были и у других учёных, но только Коперник детально разработал и обосновал гелиоцентрическую систему мира.
В начале 17 века Кеплер открыл три закона движения планет.
Законы Кеплера описаны в статье "История возникновения основных законов механики ...".
Окончательно справедливость теории Коперника была подтверждена опытами Галилея.
В 1609 году Галилей, познакомившись с оптическим прибором, изобретённым в Голландии, построил значительно усовершенствованный вариант ЗРИТЕЛЬНОЙ ТРУБЫ сначала с 3-х кратным увеличением, затем 32-х кратным (построил первый телескоп), провёл исследования на небесных телах и получил удивительные результаты:
На Луне он увидел горы. Млечный Путь, в котором находится Земля, оказался состоящим из бесчисленных звёзд, невидимых невооружённым глазом. Галилей открыл 4 спутника Юпитера, обнаружил смену фаз Венеры, свидетельствующую о том, что Венера обращается вокруг Солнца, а не вокруг Земли.
На Солнце Галилей увидел пятна. Наблюдая за ними, он обнаружил вращение Солнца вокруг своей оси.
Галилей отметил, что диаметр звёзд (в отличие от планет) в телескопе не увеличивается, туманности не распадаются на звёзды - признак того, что расстояния до звёзд колоссальны по сравнению с расстоянием до планет солнечной системы.
Зрительные трубы Галилея и Кеплера
Зрительная труба Галилея давала малое увеличение и нечёткое изображение небесных тел.
Кеплер заменил в ней рассеивающую окулярную линзу собирающей линзой. Это расширило поле зрения и позволило получить более сильное увеличение.
Рассмотрим работу зрительных труб Кеплера и Галилея.
Основными элементами зрительной трубы являются ОБЪЕКТИВ и ОКУЛЯР.
На приведённом ниже рисунке показано взаимное РАСПОЛОЖЕНИЕ объектива и окуляра в зрительной трубе. Поясним этот рисунок.
Так как исследуемый объект (планета, звезда) находится ОЧЕНЬ ДАЛЕКО, то можно считать, что на окуляр падает ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ пучок лучей, идущих от светящегося или освещённого объекта.
Эти лучи, преломляясь в объективе, проходят через задний фокус F1штрих объектива, который почти совпадает с передним фокусом F2 окуляра.
Тогда за окуляром лучи, попадающие в глаз человека, идут параллельно друг другу, что не утомляет глаз, так как глаз находится в спокойном состоянии (без аккомодации).
Объектив зрительной трубы должен быть всегда собирающей системой, окуляр же может быть как собирающей, так и рассеивающей системой.
В зрительной трубе Кеплера окуляром служит собирающая линза, а в трубе Галилея - рассеивающая линза.
На следующем рисунке показан ход лучей в зрительной трубе Кеплера (рис. а) и в зрительной трубе Галилея (рис. б).
Поясним верхний рисунок (рис. а), на котором показан ход лучей в ТРУБЕ КЕПЛЕРА.
На окуляр падает параллельный пучок лучей, идущих от объекта (звезды) под некоторым углом "альфа".
В ФОКАЛЬНОЙ плоскости объектива, в точке Sштрих, получаем изображение звезды. (Если рассматривается ПЛАНЕТА, имеющая размеры, то в фокальной плоскости объектива получим действительное изображение FSштрих планеты).
Расходящийся пучок лучей из точки Sштрих попадает на окуляр 2.
Так как эти лучи идут из точки, расположенной в фокальной плоскости окуляра, то из окуляра они выходят пучком, параллельным побочной оси Sштрих О окуляра.
Попадая в глаз, эти лучи сходятся на сетчатке глаза, давая действительное изображение объекта.
На рис. б) показан ход лучей в зрительной ТРУБЕ ГАЛИЛЕЯ, где в качестве окуляра используется рассеивающая линза, на сетчатке глаза человека появляется мнимое изображение объекта.
Для упрощения рисунка, глаз человека не показан, но показан ход лучей в рассеивающей линзе.
Преимуществом трубы КЕПЛЕРА является то, что в ней получается действительное промежуточное изображение, в плоскость которого можно поместить измерительную шкалу, поэтому в астраномии и применялась в основном труба Кеплера.
УВЕЛИЧЕНИЕ ЗРИТЕЛЬНОЙ ТРУБЫ
Поместим друг под другом рисунки, показывающие рассматривание удалённого объекта невооружённым глазом (рис. а) и рассматривание удалённого объекта через зрительную трубу Кеплера (рис. б).
Угол "фи"- это угол, под которым лучи, исходящие от краёв рассматриваемого объекта размером l, попадают в глаз наблюдателя при ОТСУТСТВИИ зрительной трубы (рис. а). l штрих - размер объекта, отражённый на сетчатве глаза.
На рис. б) показано рассматривание удалённого предмета С ПОМОЩЬЮ ЗРИТЕЛЬНОЙ ТРУБЫ Кеплера. Здесь l1 штрих - размер объекта, отражённый на сетчатве глаза.
На рис. б) вместо оптической системы глаза изображена линза L, дающая изображение на экране в её фокальной плоскости (здесь экран играет роль сетчатки глаза).
Таким образом, поместив перед глазом зрительную трубу Кеплера, мы увеличиваем угол "фи" до угла "фи штрих", под которым виден данный предмет.
ВЫВОД: Увеличение зрительной трубы равно отношению угла "фи штрих" к углу "фи" или увеличение зрительной трубы равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра (видно из построения).
Разрешающая способность зрительной трубы (способность различать две близко расположенных точки объекта), как и в случае с микроскопом, ограничена волновыми свойствами света.
Зеркальный телескоп
Наряду с телескопами, построенными по типу ЗРИТЕЛЬНОЙ ТРУБЫ, называемыми РЕФРАКТОРАМИ, применялись и применяются сейчас ЗЕРКАЛЬНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ, называемые РЕФЛЕКТОРАМИ.
На следующем рисунке приведена СХЕМА ЗЕРКАЛЬНОГО ТЕЛЕСКОПА.
В зеркальном телескопе свет от удалённого источника (светила), идущий практически параллельными лучами, падает на сферическое зеркало 1, которое даёт уменьшенное изображение светила в фокальной плоскости зеркала, проходящей через фокус F зеркала.
Для удобства рассмотрения изображения, вблизи фокуса устанавливали небольшое плоское зеркало 2 под углом 45 градусов к оси трубы, которое поворачивает лучи, и изображение рассматривали в окуляр 3 как в лупу.
КАКУЮ РОЛЬ ИГРАЕТ ТЕЛЕСКОП?
ПРИМЕР 1. Рассматривая, например, планету Марс НЕВООРУЖЁННЫМ глазом, увидим её под углом равным всего 25 секундам. При таком угле зрения Марс представляется нам светящейся точкой.
При наблюдении в телескоп Марс представляется уже диском, на котором можно различить детали.
При 75-кратном увеличении телескопа Марс будет виден под углом 31 минута (под таким углом мы видим Солнце невооружённым глазом).
ПРИМЕР 2. Что получим при наблюдении в телескоп ЗВЕЗДЫ?
Ответ: даже при рассмотрении в самые большие телескопы, звёзда продолжает казаться точкой.
Но это будет ЯРКАЯ точка, потому что размер зеркала телескопа гораздо больше размера зрачка глаза, и зеркало ПЕРЕХВАТИТ гораздо БОЛЬШЕ СВЕТА от звезды, чем это может сделать невооружённый глаз.
С применением телескопа можно вести наблюдения и за слабо светящимися звёздами, которые невооружённый глаз не видит.
ДАЖЕ С ТАКИМИ, изображёнными схематически выше, НЕСОВЕРШЕННЫМИ телескопами был сделан ряд ВАЖНЫХ ОТКРЫТИЙ:
В 1655 году Гюйгенс рассмотрел КОЛЬЦА Сатурна и открыл наиболее яркий спутник Сатурна. Кассини обнаружил четыре других, более слабых, спутников Сатурна.
В 1675 году Рёмер по наблюдениям затмений спутников Юпитера измерил скорость света.
ТЕЛЕСКОПЫ постоянно СОВЕРШЕНСТВОВАЛИСЬ.
Научились делать вогнутые зеркала БОЛЬШИХ размеров (до 120 см), дающих сильное увеличение.
Для линзовых телескопов стали создавать ДВОЙНЫЕ линзы, сочетающие два сорта стекла, что позволяло во много раз сократить длину трубы и повысить чёткость изображения.
Исследовались не только тела Солнечной системы, но и слабые эвёзды, и далёкие звёзды, были обнаружены многочисленные звёздные скопления.
В результате систематических наблюдений Гершель обосновал ограниченность звёздной системы в пространстве, а также ОБОСНОВАЛ СУЩЕСТВОВАНИЕ МНОГИХ ЗВЁЗДНЫХ СИСТЕМ.
Систему, в которой находится Солнце, он ограничил Млечным Путём, что нашло подтвердение в 20 веке.
РОЛЬ ТЕЛЕСКОПА в астрономии не исчерпывается названными открытиями, ещё важнее оказалось применение телескопа к ТОЧНЫМ УГЛОВЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ.
Пикар снабдил телескоп разделёнными кругами, по которым отсчитывались углы с точностью до секунды дуги.
Это определило и соответствующую точность измерений сферических координат звёзд, без чего невозможен был бы прогресс в области звёздной астрономии.
Измеряя взаимные положения составляющих ДВОЙНЫХ ЗВЁЗД, Гершель установил, что многие из них представляют собой физически СВЯЗАННЫЕ ВЗАИМНЫМ ТЯГОТЕНИЕМ системы, состоящие из двух звёзд, обращающихся вокруг общего центра масс по законам Кеплера.
Законы Кеплера и закон всемирного тяготения Ньютона легли в основу НЕБЕСНОЙ МЕХАНИКИ, исследующей движение тел Солнечной системы.
(Законы Кеплера явились следствием закона всемирного тяготения Ньютона для частного случая, когда учитывается движение планеты только под действием Солнца, без учёта влияния на движение планеты других планет).
Перед учёными встала задача в определении сил взаимодействия между небесными телами, в нахождении траектории движения планет, исходя из закона всемирного тяготения.
Эта задача оказалась очень сложной.
Сложность заключалась в том, что закон всемирного тяготения записан для притяжения материальных точек, а каждое небесное тело надо представлять как систему, состоящую из множество материальных точек. И надо было учитывать влияние на движение данной планеты других планет.
Но благодаря трудам многих математиков (Ньютона, Лагранжа, Эйлера, Лапласа, Гаусса и др.), сложнейшая задача о взаимодействии планет, расчётах движения и вращения планет с их спутниками, была решена с ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТЬЮ.
Позднее, с применением закона всемирного тяготения было подтверждено предсказанное Галлеем появление кометы, носящей его имя; были обнаружены предсказанные на основе вычислений невидимые спутники некоторых звёзд, увиденных позднее в большие телескопы.
Так БЫЛА ДОКАЗАНА действительная УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ГРАВИТАЦИОННОГО ТЯГОТЕНИЯ, действующего во всех местах Вселенной.
Постоянное совершенствование телескопов приводило всё к новым открытиям в астрономии.
В конце 18 века в Солнечной системе была открыта планета Уран.
Изучение закономерностей движения Урана привело в 1846 году к открытию Нептуна, а в 1930 году была открыта самая удалённая от Солнца планета Плутон.
Окончательно было доказано, что Солнце есть звезда, отличающаяся от других звёзд лишь близостью к нам.
В астрономии широкое применение получила ФОТОГРАФИЯ, изобретённая в 1839 году (стали изготовлять сухие фотопластинки). Фотоэмульсия, как приёмник излучения, с большим успехом заменила глаз при многих астрономических наблюдениях, повысив их точность, объективность и документальность.
Позднее небесная механика, пользуясь данными, доставляемыми астрономией, оказалась в состоянии объяснить и вычислить с очень высокой точностью почти все движения небесных тел, наблюдаемые как в Солнечной системе, так и в нашей Галактике (Млечном Пути).
Приведём составленный схематический план, на котором показано взаимное расположение тел Солнечной системы:
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА состоит из Солнца, планет, спутников планет, комет, движущихся в области преобладающего гравитационного влияния Солнца.
Гелиоцентрическая система Коперника дала возможность определить относительные расстояния планет от Солнца, а следовательно, и от Земли.
По физическим характеристикам большие планеты Солнечной системы разделяются на внутренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и внешние планеты - гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).
Физические характеристики Плутона качественно отличаются от характеристик планет-гигантов, поэтому Плутон не относится к их числу.
КОМЕТЫ по внешнему виду, размерам и характеристикам своих орбит резко отличаются от других тел Солнечной системы. Периоды обращения комет могут достигать нескольких миллионов лет.
Вычислены точные орбиты свыше 2 тысяч малых планет, которые расположены главным образом между орбитами Марса и Юпитера.
На следующем рисунке показаны сравнительные размеры Солнца и планет, и
показано число спутников планет Солнечной системы.
Расстояние от Солнца до Земли, называемое астрономической единицей, равно 149,6 млн. км.
Солнечная система участвует во вращении Галактики (Млечного пути), двигаясь приблизительно по круговой орбите со скоростью около 250 км/с.
Период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет около 200 миллионов лет.
Кратко о теории гравитации Ньютона и теории гравитации Эйнштейна
В переводе с латинского слово гравитация gravitas означает тяжесть, тяготение.
В жизни явление гравитации (тяготения тел друг к другу) наблюдается всюду. Мы притягиваемся к Земле, частички воздуха тоже притягиваются к Земля, благодаря чему существует атмосфера вблизи поверхности Земли.
Движение Земли вокруг Солнца является результатом её движения по инерции и притяжения к Солнцу (центробежная сила инерции, действующая на Землю, уравновешивается силой притяжения Земли к Солнцу)..
Взаимное притяжение (тяготение) двух тел подчиняется закону, открытому Ньютоном в 1687 году, названному ЗАКОНОМ ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ.
Закон тяготения Ньютона говорит о том, что две любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:
Масса тела, входящая в последнее уравнение, называется гравитационной массой. Она определяет способность тела притягиваться к Земле (чем больше масса тела, тем сильнее оно притягивается к Земле).
Для тела, движущегося, например, по поверхности Земли, справедливо уравнение второго закона Ньютона
Входящая в это уравнение масса называется инертной массой тела (чем больше масса тела, тем труднее его остановить или чем больше масса тела, тем больше тело сопротивляется приложенной к нему силе).
Гравитационная и инертная массы тождественны, поэтому обозначаются одной буквой.
А вообще по определению под массой тела понимается количество вещества в теле.
В основе теории гравитации (теории тяготения) Ньютона и теории гравитации Эйнштейна лежит ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ.
Поясним смысл принципа эквивалентности в теории гравитации Ньютона, рассмотрев следующий пример.
Представим тело некоторой массы, лежащее на полу кабины неподвижного лифта. Со стороны гравитационного поля Земли на тело действует сила тяжести mg. С такой же силой тело давит на пол лифта.
Теперь представим эту кабину лифта, движущуюся вверх с ускорением g в свободном космосе под действием двигателя.
Тогда на тело будет действовать направленная вниз сила инерции, равная mg. С такой же силой тело будет давить на пол лифта.
(Понятие "сила инерции" введено для удобства в системах отсчёта, движущихся с ускорением - в неинерциальных системах отсчёта).
Сила инерции mg, действующая на тело в лифте, движущемся в космосе с ускорением g, неотличима от силы тяготения mg, действующей на это тело в условиях Земли.
Получается, что силы инерции в ускоренной системе отсчёта эквивалентны гравитационному полю (в этом суть принципа эквивалентности).
Справедливость теории тяготения Ньютона для тел, находящихся в гравитационном поле Земли и для космических тел, как было отмечено выше, полностью подтверждена на практике.
Но в случаях, когда поля тяготения становятся ДОСТАТОЧНО СИЛЬНЫМИ, а СКОРОСТИ движения тел в этих полях НЕ МАЛЫ по сравнению со скоростью света, тяготение уже не может быть описано законом Ньютона.
В этом случае учёные, изучающие космос, обращаются к ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (ОТО) ЭЙНШТЕЙНА, называемой также теорией гравитации.
Эйнштейн применил принцип эквивалентности к своей теории гравитации, предположив, что не только механическое движение, но и все физические процессы, протекающие в истинном поле тяготения, и в системе отсчёта, движущейся с ускорением (в отсутствие тяготения), протекают по одинаковым законам.
Эйнштейн в своей теории гравитации применил неевклидову геометрию и представление о четырёхмерном пространстве-времени.
(Пояснение. Евклидова геометрия возникла в Древней Греции (в переводе с греческого геометрия - это земледелие) как необходимость измерения, например, размеров участка земли, объёма сосуда и т. д. Отсюда появились положения геометрии Евклида: от точки к точке можно провести прямую; любую прямую можно продолжить бесконечно; все прямые углы равны между собой и т. д. Неевклидова геометрия возникла в 19 веке, когда стали рассматривать объекты в объёме (Евклид рассматривал объекты на плоскости). В Неевклидовой геометрии оперируют не прямыми линиями, а кривыми линиями).
Эйнштейн представил гравитацию (притяжение космических объектов) как результат искривления пространства-времени вблизи массивных тел.
О теории гравитации Эйнштейна скажем только в общих чертах. Математический аппарат этой теории сложный, свои уравнения тяготения Эйнштейн записал в тензорном виде.
При создании своей теории относительности Эйнштейн всё рассматривает с точки зрения наблюдателя, используя МЫСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ.
Ниже рассмотрены два таких эксперимента и выводы из них:
1. Он представил две инерциальные системы отсчёта, связанные с равномерно движущимися поездами по параллельным путям, движущимися навстречу друг другу.
В середине вагона одного поезда стоит наблюдатель. В начале и в конце вагона ОДНОВРЕМЕННО дают вспышки света, и наблюдатель отмечает это событие.
Для наблюдателя, находящегося в вагоне другого, движущегося навстречу, поезда, вспышки света произойдут НЕОДНОВРЕМЕННО.
Пространство тоже будет меняться со временем - события, происходящие в одном и том же месте но в разное время в одной системе отсчёта, покажутся для наблюдателя из другой системы отсчёта, движущейся относительно первой, происходящими в РАЗНЫХ МЕСТАХ.
Одни и те же события будут смещены и по времени, и по расстоянию.
Эйнштейн СВЯЗАЛ ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ и ввёл представление о ЧЕТЫРЁХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ - ВРЕМЕНИ.
2. Эйнштейн описал ВООБРАЖАЕМЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, которые можно представить происходящими в закрытой комнате, движущейся в межзвёздном пространстве, где НЕТ ГРАВИТАЦИИ.
Тогда у тела, находящегося в этой комнате, НЕТ НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ
Но если к комнате снизу прикрепить ракетный двигатель, т. е. сообщить комнате ускоренное движение, то тело притянется к полу, т. е. поведёт себя так, как будто на него действует сила гравитации.
Пусть человек, находящийся в такой комнате, держит на ладонях два шара (лёгкий и тяжёлый). Ноги человека прижаты к полу, а шары прижаты к ладоням.
Если человек одновременно отпустит шары, то они будут двигаться вниз рядом.
Так как ракета движется с ускорением, то пол комнаты одновременно ударится о шары. Шары останутся прижатыми к полу и станут ускоряться вместе со всей системой (двигатель, комната).
Наблюдатель в комнате увидит, что шары падали с ОДИНАКОВЫМ ускорением и ОДНОВРЕМЕННО коснулись пола.
В этом мысленном эксперименте Эйнштейн указал на связь МЕЖДУ УСКОРЕННЫМ ДВИЖЕНИЕМ И СИЛАМИ ГРАВИТАЦИИ, указал на ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ ГРАВИТАЦИИ И УСКОРЕНИЯ.
В мысленном эксперименте 2 система отсчёта (комната с работающим двигателем), движущаяся с постоянным ускорением в отсутствие поля тяготения, имитирует только ОДНОРОДНОЕ гравитационное поле, одинаковое по величине и направлению во всём пространстве.
Но гравитационные поля, создаваемые движущимися планетами в космосе, НЕОДНОРОДНЫ (они в разных точках пространства разные по величине и направлению). Наблюдатели на двух таких планетах будут считать, что они двигаются относительно друг друга с ускорением и этим они установят отсутствие истинного поля тяготения.
Эйнштейн показал, что если, исходя из принципа эквивалентности, потребовать, чтобы истинное гравитационное поле было эквивалентно гравитационным полям этих двух планет, то в любой конечной области пространство-время окажется искривлённым (неевклидовым).
Таким образом, согласно теории тяготения Эйнштейна, истинное гравитационное поле является не чем иным, как проявлением искривления четырёхмерного пространства-времени.
Наблюдатель будет воспринимать движение тела в таком четырёхмерном пространстве-времени как движение по искривлённым траекториям в трёхмерном пространстве с переменной скоростью.
Другая важная идея, лежащая в основе теории тяготения Эйнштейна, заключается в утверждении, что искривление пространства-времени определяется не только массой вещества, содержащегося в теле, но и всеми видами энергии, присутствующей в теле (принцип эквивалентности массы и энергии):
Так, тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления, имеющегося в телах, от электромагнитного поля и всех других имеющихся физических полей.
В теории тяготения Эйнштейна учитывается ещё, что изменения гравитационного поля распространяются в вакууме со скоростью света.
Итак, Эйнштейном получены уравнения гравитации, которые должны описать поведение космических тел.
Взгляд на Вселенную (теория Большого взрыва)
Эйнштейн (как и все) был уверен, что Вселенная находится в стационарном (неизменном) состоянии.
Но в 1922 году Фридман, решая уравнения, полученные Эйнштейном, показал, что Вселенная должна расширяться или сжиматься, и рассмотрел возможные сценарии поведения Вселенной:
1. Вселенная расширяется от некоторого малого очень плотного и очень горячего сгустка (плазмы).
2. Расширение Вселенной может смениться её сжатием (под действием гравитационных сил), т. е. могут происходить циклические процессы расширения-сжатия Вселенной.
Гипотеза Фридмана была подтверждена экспериментально в 1929 году американским астрономом Хабблом, который из наблюдений за небесными телами сделал заключение, что в данное время ВСЕЛЕННАЯ РАСШИРЯЕТСЯ.
К выводу о расширении Вселенной Хаббл пришёл после ИССЛЕДОВАНИЯ ДАЛЁКИХ ГАЛАКТИК, используя спектральный метод.
Хаббл заметил, что все линии спектра галактики находятся не на своих местах, что они смещены в сторону больших длин волн (в сторону красного света). Такое смещение спектра назвали "красным смещением".
Оно хорошо объясняется с помощью эффекта Доплера.
(Эффект Доплера был рассмотрен для звуковых волн. Он заключается в том, что для наблюдателя, мимо которого проходит поезд, частота (длина звуковой волны) изменяется. Если источник звука удаляется от наблюдателя, то для него длина звуковой волны увеличивается).
Аналогичная картина наблюдается и в случае световых волн. Если галактика удаляется, то длина световой волны для нас увеличивается, смещается в сторону красного света.
Все галактики, которые наблюдал Хаббл, имели красное смещение - все они удалялись от Земли, что указывало на РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ.
Чем дальше от Земли находится галактика, тем быстрее она удаляется (тем краснее её спектр).
По закону Хаббла галактики удаляются от Земли одинаково во все стороны со скоростями, пропорциональными расстояниям до них, т. е. человек увидит, что все космические объекты будут удаляться от него одинаковою.
Закон Хаббла позволяет найти расстояние до наиболее удалённых объектов во Вселенной, а также найти возраст Вселенной - он оказался равным примерно 13,8 млрд лет.
Возникло предположение, что столько лет назад Вселенная представляла собой необычайно горячий и очень плотный СГУСТОК (плазму) из элементарных частиц. Размер сгустка был очень мал, близок к точке.
Возникает вопрос: откуда взялся этот сгусток? На этот вопрос у учёных нет ответа.
По какой-то причине этот сгусток пришёл в состояние чрезвычайно быстрого расширения, которое стали называть "Большим взрывом". Это название явления закрепилось, хотя никакого взрыва здесь не было, а было мгновенное расширение Вселенной.
В пользу теории "Большого взрыва" говорило и обнаруженное в 1965 году РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ неизвестного происхождения, приходящее на Землю из космоса.
Оно было довольно интенсивным, не изменялось со временем (не ослабевало и не усиливалось), и его не удалось связать ни с одним космическим объектом.
Предположили, что это излучение принадлежит ВСЕЙ ВСЕЛЕННОЙ И СВЯЗАНО С ЕЁ ВОЗНИКНОВЕНИЕМ, поэтому оно было названо РЕЛИКТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ.
С учётом реликтового излучения учёные представили следующую КАРТИНУ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ.
Было подсчитано, что в момент времени, равный одной секунде после начала расширения, температура составляла 10 миллионов градусов.
При такой температуре и громадной плотности может существовать только излучение (кванты света), электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино, в малом количестве протоны и нейтроны. Вещество и излучение находились в тепловом равновесии.
С расширением уменьшалась плотность и температура вещества. В период от одной до ста секунд начинали исчезать (аннигилировать) позитроны и электроны.
Нейтроны соединяются с протонами и образуют ядра тяжёлого водорода - дейтерия, который в свою очередь превращается в гелий.
По расчётам, в результате этих ядерных реакций должно было получиться 70 % водорода и 30 % гелия.
Все остальные более тяжёлые элементы должны были образоваться гораздо позже, когда уже возникли звёзды.
Следующие три миллиона лет после ядерных реакций ничего особо не меняется. Плотность уменьшается, температура падает. Но всё равно квантов так много, что плотность излучения больше, чем плотность обычного вещества.
Само вещество (водород и гелий) находятся в ионизованном состоянии, так как при такой температуре электроны моментально "сдираются" с атомных оболочек. Существуют не связанные друг с другом электроны и атомные ядра водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы).
Никаких образований, похожих на звёзды нет, излучение не даёт веществу собраться под действием сил тяготения. Вещество и излучение имеют одинаковую температуру, находятся в тепловом равновесии.
Только через следующие три миллиона лет равновесие нарушается, температура падает до 3,5 тысяч градусов - ядра водорода захватывают электроны и вещество становится нейтральным.
Только теперь может начаться образование звёзд и галактик. Но они очень сильно отличались от нынешних.
Предположительно происходит следующее. При их образовании выделяется колоссальная энергия и вещество сильно нагревается до ста тысяч градусов, а излучение имеет температуру всего 40 градусов Кельвина.
Вещество снова ионизируется, процесс образования звёзд и галактик не может продолжаться. Возможно часть вещества так и осталась в виде горячего ионизированного межгалактического газа.
Расширение продолжается, температура падает, образуются нынешние звёзды, галактики, планеты.
В 1998 году при наблюдении за взрывами далёких звёзд было сделано новое ОТКРЫТИЕ, что Вселенная РАСШИРЯЕТСЯ УСКОРЕННО - удалённые галактики со временем разлетаются всё быстрее.
Сейчас исследование Вселенной продолжается с помощью мощных телескопов, которые оснащены новейшими приборами (приёмниками излучения), могут работать и в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах волн, недоступных обычному зрению.
Создано много новых моделей телескопов, дающих большее увеличение при хорошем качестве изображений светил.
Стал доступен наблюдению мир далёких галактик (гигантских скоплений звёзд), находящихся на расстояниях миллиардов световых лет. Масштабы Вселенной поражают, думается даже не "иллюзия" ли это.
По полученным фотографиям определялась и определяется яркость галактик, их размеры, форма, структура, положение на небе.
Было замечено, что рукава галактик вместе с галактикой вращаются с большими скоростями.
На рисунке ниже показана спиральная галактика и её ветви:
По законам физики звёзды, находящиеся в рукавах быстро вращающейся галактики, должны разлетаться под действием центробежных сил, но этого не происходит.
Для объяснения наблюдаемого явления учёным пришлось ввести понятие тёмной материи, которая благодаря силам гравитации не даёт звёздам разлетаться.
Согласно расчётам, тёмной материи должно быть примерно в 5 раз больше, чем обычной барионной материи.
Тёмной материей назвали невидимую материю, не участвующую в электромагнитных взаимодействиях, но участвующую в гравитационных взаимодействиях.
Надо также объяснить ускоренное расширение Вселенной.
Ускоренное расширение Вселенной указывало на существование силы (энергии), преодолевающей силу гравитации. Эту энергию назвали тёмной энергией.
Появилась космологическая модель Вселенной, в основе которой лежит закон гравитации Эйнштейна и представления о тёмной материи и тёмной энергии, которые экспериментально пока не обнаружены.
Существуют и другие модели Вселенной.
Теория гравитации Эйнштейна предсказывает существование во Вселенной "ЧЁРНЫХ ДЫР".
Что понимается под "чёрными дырами" и откуда они берутся?
Чтобы ответить на этот вопрос, надо дать информацию о звёздах.
Звёзды - это самосветящиеся небесные тела, содержащие раскалённые газы (в основном водород и гелий).
В двадцатых годах 20 века, в связи с развитием атомной и ядерной физики, звёзды стали рассматриваться как физические тела - стали изучать их структуру, условия равновесия вещества в них, источник их энергии.
Стало ясно, что свечение звёзд объясняется происходящими в них термоядерными реакциями превращения водорода в гелий, сопровождающихся выделением энергии.
Основными характеристиками звёзд являются их масса, радиус (без учёта внешних прозрачных слоёв) и их светимость (полное количество излучаемой энергии).
Мир звёзд очень многообразен. Есть звёзды гиганты с малой плотностью вещества, которые по объёму в миллионы раз больше Солнца и ярче Солнца. Есть звёзды карлики с большой плотностью вещества, которые по размерам и количеству излучаемой энергии уступают Солнцу.
Есть звёзды, называемые НОВЫМИ, блеск (светимость) которых внезапно увеличивается в тысячи и даже миллионы раз (звезда вспыхивает), затем её светимость медленно спадает.
При этом за несколько суток небольшая звезда - карлик увеличивается в размере. От неё отделяется газовая оболочка, которая, продолжая расширяться, рассеивается в пространстве, а звезда сжимается до исходных размеров.
Ещё большие изменения происходят во время вспышек СВЕРХНОВЫХ ЗВЁЗД.
Сверхновые звёзды испытывают катастрофические взрывы, за которыми следует огромное увеличение их блеска, в миллиард раз превышающих светимость Солнца.
Максимум их блеска наступает примерно через две-три недели после взрыва, который затем уменьшается в течение ста суток в 50-100 раз. В нашей галактике (Млечном пути) вспыхивает одна-две сверхновых звезды в столетие.
Что предшествует взрыву сверхновых звёзд?
В течение миллиардов лет до взрыва сверхновая звезда находится в равновесии - силы тяготения, стремящиеся сжать вещество звезды, уравновешиваются силами давления, находящегося в звезде нагретого газа.
Энергия, излучаемая звездой в пространство, пополняется энергией термоядерной реакции, протекающей в центральных областях звезды при температуре в десятки миллионов градусов.
Через несколько миллиардов лет термоядерная энергия звезды исчерпывается. Гравитационные силы начинают превышать силы давления газа, идёт выделение гравитационной энергии.
Звезда продолжает терять энергию, излучая свет и нейтрино.
Предполагается, что к моменту взрыва звезды значительная доля её массы в форме водорода и гелия оказывается преобразованной посредством термоядерных реакций в элементы с большими (ударение на букву О) атомными массами.
Непосредственно перед взрывом возникают условия и для синтеза ещё более тяжёлых элементов, в том числе элементов группы железа. В результате этого вещество, выбрасываемое звездой в межзвёздную среду, обогащено тяжёлыми элементами.
Действительно, наблюдения показывают, что самые "старые" звёзды нашей Галактики содержат в 100 - 1000 раз меньше тяжёлых элементов, чем Солнце и другие звёзды, образовавшиеся позднее.
Всё большее нарушение равновесия между гравитационными силами и силами давления газа в звезде приводит к тому, что звезда стремительно сжимается - происходит ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС, т. е. катастрофически быстрое сжатие звезды под действием сил гравитации.
Процесс гравитационного коллапса длится всего доли секунды, но за это время плотность центральной части звезды возрастает до плотности атомного ядра.
Теперь мощные силы отталкивания прижатых друг к другу ядерных частиц замедляют или даже останавливают сжатие вещества в центральных областях звезды.
Падающие внешние слои звезды наталкиваются на остановившиеся, и возникает идущая наружу ударная волна, которая усиливается поглощением идущих изнутри нейтрино и детонацией остатков ядерного "горючего" в оболочке звезды.
Внешние слои звезды выбрасываются в пространство - это и есть ВСПЫШКА СВЕРХНОВОЙ ЗВЕЗДЫ.
Оставшееся после выброса оболочки ядро звезды с массой, не превышающей двух масс Солнца, представляет собой НЕЙТРОННУЮ ЗВЕЗДУ.
Такие звёзды астрономы наблюдают как источники пульсирующего радиоизлучения - пульсары.
Если масса ядра звезды больше двух масс Солнца, то отталкивание ядерных частиц не в состоянии противостоять тяготению, и ядро звезды после быстрого остывания будет продолжать сжиматься.
Если размер звезды достигает так называемого гравитационного радиуса (определяется массой звезды), то никакие силы уже не будут в состоянии остановить сжатие.
Её поле тяготения уже не выпускает никакие частицы, никакое излучение. Такой небесный объект называется ЧЁРНОЙ ДЫРОЙ, потому что даже свет на может вырваться из её гравитационного поля.
Возникает вопрос, почему свет, не имеющий массы притягивается к чёрной дыре? Ответ кроется в теории гравитации Эйнштейна, который гравитацию чёрной дыры заменил искривлением пространства-времени вокруг неё.
Считается, что чёрные дыры находятся в центре галактик (и нашей галактики в том числе), что именно они являются центром вращения звёзд в галактике.
Чёрная дыра - загадочное явление. Увидеть её в телескоп нельзя, но можно понять что она есть по косвенным признакам - по сильному гравитационному полю.
Позволю себе высказать СВОИ МЫСЛИ, уж очень рассматриваемая тема заставляет задуматься.
Был ли "Большой взрыв"? Судя по наблюдениям за космическими телами, был.
А именно, наблюдения показывают, что Всеоенная расширяется. Значит, когда-то она имела очень малый размер с огромной энергией-массой. Мгновенное расширение Вселенной и было названо "Большим взрывом".
Но это расширение происходило с выполнением закона Всемирного тяготения и всех других законов физики.
Тогда получается, что "Большой взрыв" произошёл не сам по себе, а был замыслом Разума (Создателя).
А появление на Земле человека? Невозможно поверить, что человек (само совершенство) зародился сам из межзвёздной пыли и сформировался путём эволюции. Наукой это не доказано до сих пор, и не будет доказано.
Если вдуматься, то всё на Земле устроено очень разумно. Только человек наделён разумом и только ему дана любовь. Впечатление такое, что Земля это колыбель человечества. Вот такие возникли раздумья, которые я никому не навязываю.
Даю две ссылки на видео о телескопах и Вселенной:
Как работает космический телескоп (Хаббл и Уэббл);
Телескоп Уэббл нашёл первые доказательства, которые потрясли наше понимание космоса.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Оптические системы. Построение изображений в линзах. Глаз как естественная оптическая система
Следующая запись:
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70
Ссылки на статьи, начиная с оптики, будут даны в конце статьи "Оптика. Скорость света ...