Содержание

Горячая модель вселенной. 3

Фундаментальные взаимодействия в природе и их особенности. 5

Процессы переноса тепла массы и электрического заряда. 9

Список литературы.. 11

Горячая модель вселенной

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX в. В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной — в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом Взрыве. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура

превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до гемпературы поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения — микроволнового фонового излучения с температурой около 3 К. Косвенным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое оби-яие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе, а также обнаруженное в межзвездном газе неожиданно высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной. Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверенные законы механики, термодинамики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц и др.1

Возможность установить процессы, происходившие в первые секунды и минуты существования Вселенной, безусловно, следует рассматривать как блестящее достижение современного естествознания. Моделирование первой секунды существования Вселенной приближает нас к главной загадке природы — самому акту «сотворения мира»! Первые секунды Вселенной — это время таинственных состояний вещества и неведомых сил природы. Конечно, здесь следует быть осторожным. Наши представления об этом отрезке времени основаны во многом на гипотезах и гипотетических экстраполяциях, теоретическом моделировании, во многом спорных и умозрительных.

Экстремальные условия первых секунд жизни Вселенной сегодня можно изучать экспериментально. На современных ускорителях элементарных частиц удается воспроизводить физические условия, существовавшие в то время, когда возраст Вселенной составлял 1(Г* с, когда температура достигала 1012 К, а вся наблюдаемая сегодня Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы.

Фундаментальным открытием самых последних лет, конца XX в., является обнаружение пространственной анизотропии реликтового излучения, фона Вселенной. Это расширяет возможности релятивистской космологии, делает несущественным влияние различных мешающих познанию начальных этапов Вселенной факторов - рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах, на холодном молекулярном газе, поглощение пылью и др.

Возможна только теоретическая экстраполяция известных нам физических законов. В целом она не вызывает сомнений вплоть до того момента, когда начинают проявляться квантовые свойства гравитации.

Вблизи сингулярности решения релятивистских уравнений неприменимы, поскольку там должны проявляться квантовые свойства гравитации, а свойства вещества в этом состоянии неизвестны. Существующие теории вещества и тяготения применимы к состояниям материи, плотность и температура которой меньше планковских: р = 1093 г/см3; Г= 1032 К. Планковской плотности и температуре соответствует возраст Вселенной т^Ю"'13 с и расстояние г я Ю"33 см. В планковскую эпоху физические условия были таковы, что для их описания требуется еще несозданная квантовая теория тяготения, и поэтому для описания самых ранних моментов рождения Вселенной « пользуются гипотетическими, умозрительными моделями.

Фундаментальные взаимодействия в природе и их особенности

Второй закон Ньютона дает нам простой рецепт вычисления ускорения тел, а значит - вычисления всех характеристик их движения на основе анализа сил, действующих на эти тела. Таким образом, этот закон предполагает, что силы обладают некоторыми независимыми свойствами, которые еще предстоит выяснить.

Одно из важнейших свойств силы - ее материальное происхождение. Говоря о силе, мы всегда неявно предполагаем, что когда нет физических тел, то сила равна нулю. Если мы видим, что сила не равна нулю, мы ищем по соседству ее источник. Можно сделать вывод: на тело действует столько сил, сколько других тел находится по соседству. При этом ускорение рассматриваемого тела будет определяться результирующей силой, равной геометрической сумме (ведь сила - это вектор!) всех сил, действующих на тело.

В этих утверждениях есть нечто новое: мы поняли, что анализ силы вообще, действующей на тело, может быть сведен к анализу более простых сил, действующих между рассматриваемым телом и другим каким-то телом из его окружения.

Примером такой простой силы является сила тяготения. Формулируя свой закон тяготения Ньютон отвечал на вопрос: что такое сила и как ее вычислить? Если бы ничего, кроме тяготения, не существовало, то сочетание закона тяготения и второго закона Ньютона оказалось бы завершенной теорией. Но кроме сил тяготения в природе существуют и другие силы.

Первое, что приходит в голову, когда мы говорим о силах в природе,- это сила тяжести, действующая на все тела вблизи поверхности Земли. Но теперь-то мы знаем, что сила тяжести - это просто частный случай силы тяготения, действующей между всеми телами, обладающими массой. Величина этой силы определяется законом тяготения Ньютона:

К силам тяготения можно свести и силу, действующую на все тела, погруженные в жидкости или газы:

(здесь r - плотность жидкости (газа), V- объем погруженной в эту жидкость (газ) части тела). Об этом говорит хотя бы величина ускорения свободного падения g, входящая в выражение.

Сила впервые была описана еще знаменитым Архимедом. Ее действие всегда сводится к тому, что жидкость (газ) стремится вытолкнуть всякое погруженное в нее тело. При определенных условиях эта сила может быть даже больше или равна силе тяжести, действующей на тело. И тогда это тело не тонет. Именно действием силы Архимеда можно объяснить плавание больших, тяжелых кораблей в океанах, “плавание” воздушных шаров и т.д.

Следующая сила, с которой мы чаще всего встречаемся на практике - это сила трения скольжения. Эта сила всегда возникает при скольжении одного тела по поверхности другого и препятствует движению, т.е. направлена против скорости движения. Опыт показывает, что величина силы трения пропорциональна величине силы реакции опоры , действующей на движущееся тело со стороны поверхности соприкосновения и всегда направленной перпендикулярно этой поверхности:

Коэффициент трения m зависит от многих факторов: от природы соприкасающихся тел (т.е. от рода вещества), температуры, от того, смазаны соприкасающиеся поверхности или нет, от вида смазки и т.д. Уже это указывает на то, что сила трения не является такой простой, как сила тяготения. И действительно, она может рассматриваться как результирующая более простых сил взаимодействия между атомами - мельчайшими частицами, из которых состоят движущееся тело и поверхность.

К силам взаимодействия между отдельными атомами может быть сведена и сила трения иного рода - сила сопротивления, действующая на тела, движущиеся в жидкостях или газах. Наблюдения показывают, что эта сила действует всегда против скорости движения и пропорциональна величине этой скорости:

(b- коэффициент сопротивления, зависящий от природы жидкости или газа).

Взаимодействием между атомами объясняется сила упругости, возникающая при деформации упругих тел (пружин, реальных нитей, стержней и т.п.), которая стремится вернуть их в исходное, недеформированное, состояние и пропорциональна величине деформации х:

(k- коэффициент жесткости, различный для разных тел).

Но даже силы взаимодействия между атомами, из которых состоят все предметы, все окружающие нас вещества, не являются простыми и, в свою очередь, могут быть сведены к силам, действующим между электрическими зарядами, образующими атом. Величина этих электрических сил, как показывает опыт, определяется таким же простым законом, как и закон всемирного тяготения. Она пропорциональна величине зарядов q₁ и q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Закон взаимодействия зарядов (16) был впервые опубликован в работах французского инженера и физика Шарля Огюстена Кулона (Coulomb, 1736-1806) и очень похож на закон тяготения Ньютона. Сила Кулона направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, но, в отличие от силы тяготения, может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания. Дело в том, что в природе обнаружены заряды двух видов, или, как говорят, двух знаков (“+” и “-”). При этом заряды одного знака (одноименные) отталкиваются, а заряды противоположных знаков (разноименные) притягиваются друг к другу.

Примеры сил, действующих в природе, которые мы рассмотрели выше, показывают, что есть простые, или фундаментальные, силы, которые уже не сводятся ни к каким другим типам сил, и есть силы, которые можно рассматривать как результат суммарного действия более простых сил.

К фундаментальным силам природы можно отнести:

1) силы тяготения, действующие между любыми телами, обладающими массой;

2) электрические силы, действующие между любыми телами, обладающими зарядом;

3) силы магнитного взаимодействия, действующие между любыми движущимися зарядами;

4) силы, которые называют силами слабого взаимодействия, их действие проявляется в процессах взаимного превращения мельчайших частиц материи, называемых элементарными частицами;

5) ядерные силы, действующие между частицами, входящими в состав атомного ядра.

Удивительно, что все многообразие явлений природы можно, в принципе, объяснить действием всего пяти типов сил! Подобно тому, как в основе мира музыки лежат всего семь нот, в основе несопоставимо более богатого явлениями и красочного мира Природы лежат всего пять (даже не семь!) фундаментальных взаимодействий. Больше того, в настоящее время можно с определенностью сказать, что пять - это даже преувеличение. Дело в том, что некоторые фундаментальные взаимодействия, о которых мы говорили выше, просто упомянуты нами несколько раз.

Открытие английским физиком Майклом Фарадеем еще в XIX веке закона электромагнитной индукции показало, что электрические и магнитные силы - это всего лишь различные проявления единого электромагнитного взаимодействия зарядов. А открытия ученых последних лет, которые стали возможны только с появлением мощных ускорителей элементарных частиц, показали, что и слабое взаимодействие частиц нельзя рассматривать отдельно от электромагнитного. Родилась теория единого электрослабого взаимодействия. Таким образом, сегодня уже можно говорить не о пяти, а о трех (!) фундаментальных силах, к которым могут быть сведены все остальные силы, действующие в природе: тяготение, электрослабые силы и ядерные силы.

Сведение различных сил Природы к более простым, фундаментальным силам, объединение различных типов фундаментальных сил - это лишь частные проявления главной цели современного естествознания: понять всю Природу как разные стороны одной совокупности явлений. Будет ли возможно в конце концов все слить воедино и обнаружить, что весь наш мир есть просто различные стороны чего-то одного? Этого никто не знает. Мы только знаем, что по мере нашего продвижения вперед то и дело удается что-то с чем-то объединить, но потом опять что-то перестает укладываться в общую картину. И мы заново принимаемся раскладывать части этой головоломки, надеясь сложить из них что-нибудь целое.

Процессы переноса тепла массы и электрического заряда

Переноса явления, кинетические процессы, необратимые процессы, в результате которых в физической системе происходит пространственный перенос электрического заряда, массы, импульса, энергии, энтропии или какой-либо др. физической величины. П. я. описываются кинетическими уравнениями (см. Кинетика физическая).

Причины П. я.- действие внешнего электрического поля, наличие пространственных неоднородностей состава, температуры или средней скорости движения частиц системы. Перенос физической величины происходит в направлении, обратном градиенту этой величины. П. я. приближают систему к состоянию равновесия.

К П. я. относятся: электропроводность - перенос электрического заряда под действием внешнего электрического поля; диффузия - перенос вещества (компонента смеси) при наличии в системе градиента его концентрации; теплопроводность - перенос теплоты вследствие градиента температуры; вязкое течение (см. Вязкость) - перенос импульса, связанный с градиентом средней массовой скорости. Перенос вещества вследствие градиента температуры - термодиффузию и обратный ей Дюфура эффект, гальваномагнитные явления и термомагнитные явления называются перекрёстными процессами, так как здесь градиент одной величины вызывает перенос др. физической величины. При определённых условиях для перекрёстных процессов выполняется Онсагера теорема.

Приведённые примеры относятся к П. я. в гомогенных системах, внутри которых отсутствуют поверхности раздела.

П. я. происходят также в гетерогенных системах, состоящих из гомогенных частей (подсистем), отделённых друг от друга или естественными поверхностями раздела (как жидкость и её пар), или полупроницаемыми мембранами.

При появлении в гетерогенной системе разности (перепада) электрического потенциала, давления, температуры между подсистемами возникают необратимые потоки заряда, массы и теплоты. К подобным П. я. относятся: электрокинетические явления - перенос заряда и массы из-за перепада электрического потенциала и давления: термомеханические эффекты - перенос теплоты и массы из-за перепада температуры и давления, в частности механокалорический эффект - перенос теплоты, вызванный разностью давлений.

П. я. в газах изучает кинетическая теория газов на основе кинетического уравнения Больцмана для функции распределения частиц; П. я. в металлах - на основе кинетического уравнения для электронов в металлах; перенос энергии в непроводящих кристаллах - с помощью кинетического уравнения для фононов кристаллической решётки.

Общую феноменологическую теорию П. я., применимую к любой системе (газообразной, жидкой или твёрдой), даёт термодинамика неравновесных процессов. С 1950-60-х гг. теория П. я. интенсивно разрабатывается на основе неравновесной статистической механики.

Список литературы

1.     Горелов А. А. Концепции современного естествознания. — М.: Центр, 1998

2.     Купер Л."Физика для всех" - М., 1980.

3.     Пригожин И.Р."От существующего к возникающему" - М.,1994.

4.     Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.:Гардарики,2001.

5.     Концепции современного естествознания. Под ред. Лавриненко В.Н., Ратникова В.П. М.:ЮНИТИ-ДАНА,2001.

6.     Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. — М.: Наука, 1981.