Основы достижения космологии XX века

1. Основы достижения космологии 20 века

Космологию можно было бы назвать древнейшей частью естествознания, поскольку уже первые наблюдения астрономического характера подразумевали  некий космологический фон. Однако фон этот был еще слишком гуманитарным, не отделимым от мифа, от религии. И  даже мощное развитие физики в ХIХ  веке не сделало космологию естественной наукой. Попытки распространить надежно  установленные законы физики на Вселенную  как целое натыкались на неразрешимые парадоксы.

Эйнштейновская теория гравитации связала всемирное ньютоновское тяготение со свойствами пространства-времени, геометрия которого оказалась евклидовской (а хронометрия - галилеевской) лишь приближенно, когда силы тяготения  достаточно малы. И охватить безграничные просторы Вселенной мысленным взором Эйнштейну удалось, только выйдя  за пределы этого приближения. В  результате появилась геометрическая картина - конечная, но безграничная, как  поверхность сферы, - существующей вечно  и неизменно, с одним и тем  же радиусом, Вселенной.

Эту картину ее создатель вовсе  не считал венцом творения, и фактически она была связана со всей его физикой, которая только условно, или в  педагогических целях, разделяется  на разные области. То, что впоследствии попало в совсем разные учебники, жило когда-то в одной голове: и квантовая  физика, за достижения в которой  Эйнштейн получил Нобелевскую премию, и теория относительности, автором  которой он вошел в общественное сознание ХХ века.

Эйнштейн принадлежал к поколению, на глазах которого теоретическая физика стала самостоятельной профессией. Но самостоятельность не означает независимости, в данном случае от физики экспериментальной - от наблюдений над Природой - от испытаний  естества. И Эйнштейн оставался естествоиспытателем  даже в своих космологических  размышлениях. Статичность Вселенной  была для Эйнштейна экспериментальным, наблюдательным фактом, а не просто доставшейся в наследство атеистической  доктриной:

"Самое важное из всего,  что нам известно из опыта  о распределении материи, заключается  в том, что относительные скорости  звезд очень малы по сравнению  со скоростью света", - Эйнштейн  не указал, какой конкретно экспериментальный  материал он имел в виду, но  роль этого факта видна уже  из того, что на десяти страницах  статьи он упоминается семь  раз.

Общая теория относительности, решив  важнейшую теоретическую задачу - объединить теорию относительности  и теорию тяготения, уже при своем  рождении была нацелена на астрономическое  приложение - объяснить загадку в  движении планет. Загадку, малую количественно, но вызывающе не поддающуюся ньютоновской теории. И эта загадка - в перигелии  Меркурия - была успешно решена.

Следующее приложение новой теории пространства-времени, увиденное Эйнштейном в 1916 году, касалось не старых загадок  в астрономических пространствах, а неизвестного нового явления. Эйнштейн обнаружил, что всемирное тяготение  способно не только искривлять лучи света, но и само излучаться. В частности, любая планетная система должна рождать гравитационное излучение. Получив из своих общих уравнений  соответствующую формулу - закон  гравитационных волн, он сразу же подумал  о самых многочисленных планетных  системах - об атомах, где вокруг звезды-ядра движутся планеты-электроны.

Что открыл Фридман?

Перенесемся в 1922 год.

Вернемся к резиновому, точнее, к риманову шарику Вселенной, который Эйнштейн взял в руки в 1917 году. Сделав свои упрощающие предположения, Эйнштейн с огорчением обнаружил, что никакого шарика в его руках на самом-то деле нет, есть только бесплотные аксиомы.

Когда Фридман познакомился с космологией  Эйнштейна, то, разумеется, оценил грандиозность  поставленной физической задачи. Однако математическое ее решение вызвало  у него сомнения. Конечно, воздушный  шар вполне может пребывать в  покое, так же, как и маятник. Но шар может и менять свой размер, оставаясь идеально круглым, - может  расширяться и сжиматься даже сам по себе, если только достаточно упруг. Так качается маятник, если его  толкнуть и затем предоставить самому себе.

В статье Фридмана 1922 года рассказывалось, как именно должна изменяться со временем сфера пространства-времени. При  этом эйнштейновское - покоящееся - состояние  Вселеной оказалось лишь частным, очень  частным случаем. Здесь аналогия, которая до сих пор столь усердно  использовалась, помогать отказывается. Резиновый шарик гораздо легче  представить себе в неизменом, нежели в меняющемся состоянии. А радиус вселенской сферы, согласно Фридману, меняется в соответствии с упругими свойствами пространства-времени, заложенными  в уравнении ОТО.

Джордж Антонович  Гамов (1904 - 1968)

Заслуги Фридмана перед космологией  не ограничиваются его собственным  научным вкладом - "моделью Фридмана". Профессор Петроградского университета значительную часть своего времени  отдавал преподаванию. Слушателей у  него было совсем немного, и среди  них выделялся один юноша. Тогда  он выделялся прежде всего высотой  своего роста и голоса. Но впоследствии этому 20-летнему студенту, которого друзья звали Джонни, суждено было прославить свое имя в истории  советской и американской науки. Впрочем, лучше сказать "мировой", тем более что автобиографию  свою Георгий Антонович Гамов  назвал "Моя мировая линия".

Одно из трех его мировых  достижений называется "Большой  Взрыв" - "BigBang", на языке страны, принявшей физика-невозвращенца  в 1934 году. Под этим названием известна космологическая модель, родившаяся в 40-е годы чтобы объяснить химическое разнообразие нашей Вселенной.

Гамов знал все теоретические  и экспериментальные основания  для оцепенения. Но такое состояние  было ему абсолютно не свойственно. И поэтому, расхаживая по берегу и  смело шупая ногой воду, он смог обнаружить, что в океане ядерной  физики имеется прекрасная отмель, по которой можно - почти аки по суху - зайти довольно далеко. Эта  отмель - альфа-распад ядер. И Гамов  не упустил возможности, предоставленной  природой. Природой и Наркомпросом.

Именно на деньги последнего в июне 1928 года Гамов отправился на стажировку в Германию, всего  на несколько месяцев. Но этого ему  хватило чтобы сделать работу, ставшую началом теоретической  ядерной физики. Работа принесла Гамову мировую известность и заграничные  стипендии, позволившие ему продлить свою стажировку на три года.

Осталось только сказать  о третьем мировом достижении советского ядерщика и американского  космолога - на этот раз в области  биологии. Когда Дж.Уотсон и Ф.Крик открыли в 1953 году "двойную спираль" - структуру молекулы ДНК, открылся и новый научный океан - молекулярной генетики. Существование генов, доказанное еще монахом Менделем на горохе, стало возможным пощупать молекулярно. И здесь, на берегу нового океана оказался Гамов.

2. Масса. Представление о ней в классической физике и теории относительности.

Ма́сса (от греч. μάζα) — скалярная физическая величина, одна из важнейших величин в физике. Первоначально (XVII—XIX века) она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе (инертность), так и гравитационные свойства — вес. Тесно связана с понятиями «энергия» и «импульс» (по современным представлениям — масса эквивалентна энергии покоя).

В современной физике понятие  «количество вещества» имеет другой смысл, а концепцию «массы» можно трактовать несколькими способами:

• Пассивная гравитационная масса показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними гравитационными полями — фактически эта масса положена в основу измерения массы взвешиванием в современной метрологии.
• Активная гравитационная масса показывает, какое гравитационное поле создаёт само это тело — гравитационные массы фигурируют в законе всемирного тяготения.
• Инертная масса характеризует инертность тел и фигурирует в одной из формулировок второго закона Ньютона. Если произвольная сила в инерциальной системе отсчёта одинаково ускоряет разные исходно неподвижные тела, этим телам приписывают одинаковую инертную массу.

Гравитационные и инертная масса равны друг другу (с высокой  точностью — порядка 10⁻¹³ — экспериментально, а в большинстве физических теорий, в том числе всех, подтверждённых экспериментально — точно), поэтому в том случае, когда речь идёт не о «новой физике», просто говорят о массе, не уточняя, какую из них имеют в виду.

В классической механике масса  системы тел равна сумме масс составляющих её тел. В релятивистской механике масса не является аддитивной физической величиной, то есть масса  системы в общем случае не равна  арифметической сумме масс компонентов, а включает в себя энергию связи, а также энергию движения частиц друг относительно друга.

Прямые обобщения понятия  массы включают в себя тензорные присоединённую массу и эффективную массу — как характеристики инерциальных свойств системы «тело плюс среда» в гидродинамике и квантовой теории. В квантовой теории рассматриваются такжеполя с нестандартными кинетическими членами, например, поле Хиггса, которые можно рассматривать как поля, масса квантов  которых зависит от их энергии.

Принцип эквивалентности.

Все явления в гравитационном поле происходят точно так же, как  в соответствующем поле сил инерции, если совпадают напряжённости этих полей и одинаковы начальные  условия для тел системы.

Гравитационная масса — характеристика материальной точки при анализе в классической механике, которая полагается причиной гравитационного взаимодействия тел, в отличие от инертной массы, которая определяет динамические свойства тел.

Как установлено экспериментально, эти две массы пропорциональны друг другу. Не было обнаружено никаких отклонений от этого закона, поэтому новых единиц измерения для инерционной массы не вводят (используют единицы измерения гравитационной массы) и коэффициент пропорциональности считают равным единице, что позволяет говорить и о равенстве инертной и гравитационной масс.

Можно сказать, что первая проверка пропорциональности двух видов  массы была выполнена Галилео Галилеем, который открыл универсальность свободного падения. Согласно опытам Галилея по наблюдению свободного падения тел, все тела, независимо от их массы и материала, падают с одинаковым ускорением свободного падения. Сейчас эти опыты можно трактовать так: увеличение силы, действующей на более массивное тело со стороны гравитационного поля Земли, полностью компенсируется увеличением его инертных свойств.

На равенство инертной и гравитационной масс обратил внимание ещё Ньютон, он же впервые доказал, что они отличаются не более чем на 0,1 % (иначе говоря, равны с точностью до 10⁻³)^[3]. На сегодняшний день это равенство экспериментально проверено с очень высокой степенью точности (чувствительность к относительной разности инертной и гравитационной масс в лучшем эксперименте на 2009 год равна (0,3±1,8)·10⁻¹³)^[1][2].

Следует различать «слабый  принцип эквивалентности» и «сильный принцип эквивалентности». Сильный  принцип эквивалентности можно  сформулировать так: в каждой точке  пространства-времени в произвольном гравитационном поле можно выбрать  локально-инерциальную систему координат, такую, что в достаточно малой  окрестности рассматриваемой точки законы природы будут иметь такую же форму, как и в не ускоренных декартовых системах координат, где под «законами природы» подразумевают все законы природы. 
Слабый принцип отличается тем, что слова «законы природы» заменяются в нем словами «законы движения свободно падающих частиц». Слабый принцип — это не что иное, как другая формулировка наблюдаемого равенства гравитационной и инертной масс, в то время как сильный принцип представляет собой обобщение наблюдений за влиянием гравитации на любые физические объекты.

Единица измерения массы

Килограмм является одной  из семи основных единиц СИ; среди них, это одна из трёх единиц (наряду с секундой и Кельвином, которая определена adhoc, без ссылок на другие базовые единицы и составляющий значение международного прототипа килограмма.

В системе СИ масса измеряется в килограммах. Единицей измерения массы в системе СГС являетсяграмм (¹⁄₁₀₀₀ килограмма). Вообще говоря, в любой системе измерения выбор основных (первичных) физических величин, их единиц измерения и их число произволен — зависит от принимаемого соглашения и масса не всегда входит в их состав — так в системе МКГСС единица массы была производной единицей и измерялась в кГс/м•с² (обозначалась как «т. е. м.» или «инерта»).В атомной физике принято сравнивать массу с атомной единицей массы, в физике твёрдого тела — с массойэлектрона, в физике элементарных частиц массу измеряют в электронвольтах. Кроме этих единиц, используемых в науке, существует большое разнообразие исторических единиц измерения массы, которые сохранили свою отдельную сферу использования: фунт, унция, карат, тонна и др. В астрономии единицей для сравнения масс небесных тел служит масса Солнца.

Масса иногда может быть выражена в терминах длины. Масса очень мелких частиц могут быть определены с помощью величины, обратной к комптоновской длине волны: 1 см^-1 ≈ 3.52×10^-41 кг. Масса очень большой звезды или чёрной дыры может быть отождествлена с её гравитационным радиусом: 1 см ≈ 6.73×10²⁴ кг.

3. Осевая симметрия правильных геометрических фигур

Понятие симметрии встречается  как во многих областях человеческой жизни, культуры и искусства, так  и в сфере научных знаний. Но что такое симметрия? В переводе с древнегреческого языка это  – соразмерность, неизменность, соответствие. Говоря о симметрии, мы часто имеем  в виду пропорциональность, упорядоченность, гармоничную красоту в расположении элементов некоей группы или составляющих какого-то предмета.