Возраст Солнца, Звезд, Вселенной. Отличия научной картины мира от классической. Распределение солнечной энергии

СОДЕРЖАНИЕ

1. Как определить возрасты Солнца, Звезд, Вселенной? Каков диапазон временных интервалов во вселенной

2. Дайте представление о научной методологии и формировании критерия истины в разное время. чем отличается современная научная картина мира от классической? Как осуществляется преемственность идей и концепций

3. В чем состоит эффект Доплера и какова его роль в исследовании звезд, вселенной

4. Дайте понятие внутренней энергии. какие виды внутренней энергии вы знаете? Как изменяется внутренняя энергия? в чем сущность первого начала термодинамики

5. Приведите уравнение состояния идеального газа. Какая величина является мерой средней кинетической энергии молекул

6. Дайте понятие об обратимых и необратимых процессах. Приведите примеры. как строится термодинамика открытых систем? Дайте представление о прямой и обратной связи в сложной системе

7.Как возникает металлическая связь? Дайте представление о теории металлов (классической и квантовой), полупроводниках, диэлектриках и изоляторах

8.Поясните, как распределяется на земле солнечная энергия. дайте понятие о негэнтропии солнечного излучения

9.Поясните смысл гипотезы Планка о дискретном характере испускания света? Насколько были решены при этом противоречия в теории теплового излучения

10.Каково состояние солнца и его атмосферы? Каковы проявления и закономерности солнечной активности? В каком состоянии находится солнечное вещество? Каков состав солнечного излучения? Что такое солнечный ветер? Как он проявляется на Земле

Список литературы

1. КАК ОПРЕДЕЛИТЬ ВОЗРАСТЫ СОЛНЦА, ЗВЕЗД, ВСЕЛЕННОЙ? КАКОВ ДИАПАЗОН ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ ВО ВСЕЛЕННОЙ

В большинстве современных учебников, энциклопедий и справочников возраст Солнца оценивается в 4,5-5 миллиардов лет. Еще столько же ему отводится, чтобы «догореть».

В первой половине XX века развитие ядерной физики достигло такого уровня, что стало возможным рассчитывать эффективность различных термоядерных реакций. Как было установлено в конце 30-х годов, при физических условиях, существующих в центральной области Солнца и звезд, могут происходить реакции, приводящие к объединению четырех протонов (ядер атома водорода) в ядро атома гелия. В результате такого объединения освобождается энергия и, как следовало из расчетов, этим путем обеспечивается свечение Солнца в течение миллиардов лет. У звезд-гигантов, расходующих свое ядерное горючее (протоны) более расточительно, время жизни должно быть гораздо короче, чем у Солнца - всего десятки миллионов лет. Из этого был в те же годы сделан вывод о рождении таких звезд и в наше время. Относительно звезд меньшей массы, подобных Солнцу, многие астрономы продолжали придерживаться мнения, что все они, как и Солнце, образовались миллиарды лет тому назад.

В конце 40-х годов В.А. Амбарцумян использовал совершенно иной подход к проблеме определения возраста звезд. Он основывался на имевшихся в то время обширных наблюдательных данных о распределении звезд различных типов в пространстве, а также на результатах собственных исследований динамики звезд, то есть их движений в гравитационном поле, создаваемом всеми звездами Галактики.

В.А. Амбарцумяном были сделаны на указанной основе два важнейших не только для астрофизики, но и для всего естествознания вывода:

1.  Звездообразование в Галактике продолжается и в настоящее время.

2.  Рождение звезд происходит группами.

Эти выводы не зависят ни от предположений о механизме образования звезд, который в те годы не был установлен с уверенностью, ни от природы источников звездной энергии. Они базируются на сделанном В.А. Амбарцумяном открытии нового вида звездных скоплений, названных им звездными ассоциациями.

До обнаружения звездных ассоциаций астрономам были известны в Галактике звездные группировки двух типов - открытые (или рассеянные) скопления и шаровые скопления. В открытых скоплениях концентрация звезд не очень значительна, но все же они выделяются на фоне звездного поля Галактики. Скопление другого типа - шаровое - отличается высокой степенью концентрации звезд и при недостаточно хорошем разрешении представляется единым телом. Такое скопление состоит из сотен тысяч звезд, создающих достаточно сильное гравитационное поле, которое удерживает его от быстрого распада. Оно может существовать долгое время - порядка 10 миллиардов лет. В открытом скоплении насчитывается несколько сотен звезд и, хотя оно представляет собой гравитационо связанную систему, эта связь не очень прочная. Скопление может распасться, как показали сделанные В.А. Амбарцумяном расчеты, за несколько сотен миллионов лет.

Ученые из НАСА с беспрецедентной точностью определили возраст нашей Вселенной. По оценка астрономов, он составляет 13,7 миллиардов лет, а первые звезды засветили через 200 миллионов лет после Большого Взрыва. С этого момента Вселенная непрерывно расширяется, распыляется и охлаждается… вплоть до полного небытия.

Раньше астрофизики считали, что нашему миру от 8 до 20 миллиардов лет, потом остановились на диапазоне 12-15 миллиардов, оставляя за собой право на 30%-ную ошибку. Нынешняя оценка имеет погрешность в 1 %. Что же до «периода беременности» у первой звезды, то его раньше предполагали лежащим в границах от 500 миллионов до миллиарда лет.

Еще более интересен качественный состав вещества Вселенной. Оказывается, только 4% материи составляют атомы, на которые распространяются известные законы электромагнетизма и гравитации. Еще 23 процента состоят из так называемого «темного вещества» (ученые мало что знают о его свойствах). Ну а целых 73% всего сущего - совсем уж загадочная «темная энергия» или «антигравитация», побуждающая Вселенную расширяться. Получается, что мы знаем, что ничего не знаем на 96 %.

Сутки были первой естественной единицей меры времени, регулировавшие труд и отдых. Сначала сутки делили на день и ночь, и только много позже на 24 часа.

Звездные сутки определяются периодом вращения Земли вокруг своей оси относительно любой звезды.

Истинный полдень наступает на разных меридианах Земли в разное время, и для удобства принято соглашение о делении земного шара на часовые пояса, которые проходят через 15 градусов по долготе, начиная с меридиана Гринвича. Это – Лондонский меридиан 0 градусов долготы, и пояс назван нулевым (западноевропейским).

Секунда – общепринятая единица времени, примерно с периодом 1 с бьется сердце человека. Исторически эта единица связана с делением суток на 24 ч., 1 ч – на 60 мин, 1 мин – на 60 с.

Атомная секунда – интервал времени, в течение которого совершается почти 10 млрд колебаний атома Сs - (9 192 631 830).

Календарем называется система отчета длительных промежутков времени, в которой установлен определенный порядок счета дней в году и указано начало отчета.

 
2. ДАЙТЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О НАУЧНОЙ МЕТОДОЛОГИИ И ФОРМИРОВАНИИ КРИТЕРИЯ ИСТИНЫ В РАЗНОЕ ВРЕМЯ. ЧЕМ ОТЛИЧАЕТСЯ СОВРЕМЕННАЯ НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА ОТ КЛАССИЧЕСКОЙ? КАК ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПРЕЕМСТВЕННОСТЬ ИДЕЙ И КОНЦЕПЦИЙ

При смене картины мира пересматриваются основные вопросы мироздания, структура знаний и место науки в жизни общества. Среди естественных наук в течение двух столетий, несомненно, лидировала физика, исследовавшая явления неживой природы, для которых проще построить схему или модель и дать математическое описание. В конце ХIХ – первой половине ХХ вв., когда результаты анализа и синтеза различных веществ существенно изменила жизнь общества, достойное место рядом с физикой заняла химия. Благодаря успехам физики и химии во второй половине ХХ в., положившим начало молекулярным исследованиям, произошел прорыв в биологии и медицине. Так естествознание приближается к человеку, распространяя свои методы на экономику, гуманитарную сферу знаний и искусство[1]. Именно так происходит формирование критерия истинности.

Современная научная картина мира отличается от классической тем, что новая картина мира, которая формируется, должна обрести универсальный язык, адекватный Природе[2].

3. В ЧЕМ СОСТОИТ ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА И КАКОВА ЕГО РОЛЬ В ИССЛЕДОВАНИИ ЗВЕЗД, ВСЕЛЕННОЙ

В 1842 г. австрийский физик и астроном Кристиан Доплер (1803-1853) обнаружил зависимость частоты волнового импульса при движении источника волн относительно наблюдателя, названную эффектом Доплера. Многие не раз сталкивались с ним, когда слышали, как меняется звук предупреждающего свистка проносящегося мимо платформы поезда. Но эффект Доплера можно не только «слышать» но и «видеть», хотя бы в ванне или в пруду. Периодически погружая палец в воду, чтобы на поверхности образовались волны, равномерно перемещайте его в одном направлении движении. Следуя друг за другом, гребни волн будут сгущаться в направлении движения пальца и станут более разреженными с другой стороны. Значит, длина волны в направлении вперед станет меньше обычной, в направлении назад – больше.

Эффект Доплера имеет место для всех видов волн – звуковых в атмосфере, упругих в твердом теле, волн на воде, световых волн. Измерение доплеровского смещения в спектрах позволяет с большей точностью и не возмущая измерением движение и систему определить скорости движущихся объектов.

В 1848 г. французский физик Арман Физо (1819-1896) предположил использовать эффект Доплера для измерения радиальной составляющей скорости звезд по смещению спектральных линий (поэтому многие называют его эффектом Доплера-Физо). Физо обратил внимание, что в сплошном спектре движение не может вызывать заметных изменений, поэтому лучше обратиться к линейчатым спектрам, где можно измерять смещение. В 1867 г. английский астроном Уильям Хеггинс (1824-1910) обнаружил смещение водородной линии а спектре трубки Гейслера в лаборатории и заключил, что скорость звезды относительно Земли равна 66,6 км/с, а по отношению к Солнцу – 47,3 км/с[3].

4. ДАЙТЕ ПОНЯТИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ. КАКИЕ ВИДЫ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ВЫ ЗНАЕТЕ? КАК ИЗМЕНЯЕТСЯ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ? В ЧЕМ СУЩНОСТЬ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ

Внутренняя энергия - это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит вещество.

Внутренняя энергия любой системы складывается из энергий, входящих в нее атомов и молекул. Она представляет собой сумму кинетической энергии движения частиц (атомов, молекул или ионов), потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия, энергии взаимодействия электронов и ядер в молекулах и энергии, отвечающей массе покоя частиц согласно уравнению Эйнштейна. Внутренняя энергия не относится к непосредственно измеряемым величинам. На опыте удается измерить только теплоту, поглощаемую или выделяемую системой, и определить работу, связанную с переходом из одного состояния системы в другое. При любых процессах совокупность величин Q – A не зависит от пути перехода, это позволило определить изменение внутренней энергии системы с помощью уравнения

dU = d Q – d A £ TdS – dU (1)

Положительным считается такое изменение энергии, которое отвечает увеличению U в системе.

В случае равновесного процесса

d A =dA = TdS – dU (2)

При S = const (равновесный адиабатный процесс)

dA = -dU и A = U1 - U2 (3)

Интегрируя при постоянной Т уравнение (2) получаем:

A = (U1 – TS1) - (U2 – TS2) (4)

Введем обозначение

F = U – TS (5)

получим (при Т = const)

A = F1 – F2 = -D F (6)

где F – функция состояния, называемая изохорно – изотермическим потенциалом или свободной энергией системы. Переписав уравнение (5) в виде

U = F + TS

Можно рассматривать внутреннюю энергия, как энергию, состоящую из двух частей – свободной энергии F и связанной энергии TS.

Изохорный потенциал системы, находящейся при постоянных объеме и температуре, стремится уменьшиться в самопроизволных процессах.

Представим элементарную работу как сумму работы расширения и других видов работы:

d A = pdV + d A¢ (7),

где d A¢ - сумма элементарных работ всех видов, кроме работы расширения.

Из уравнений (1, 7) получаем:

d A¢ £ TdS – dU – pdV (8)

Теперь можно найти A¢ , получаемую при переходе системы из одного состояния в другое. Интегрируя это уравнение в соответствующих пределах при постоянных температуре и давлении и сгруппировав все величины, относящиеся к одному состоянию получим:

A¢ £ (U1 – TS1 + pV1) - (U2 – TS2 + pV2)

Обозначив через G выражения, стоящие в скобках правой части уравнения, которые являются функциями состояния, т. е.

G º U – TS + pV º F + pV º H – TS (9)

Для равновесных процессов A¢ будет максимально:

A¢ = G1 – G2 = - D G

G – функция состояния, определяемая уравнением (9) и называемая изобарно – изотермическим потенциалом или свободной энергией системы.

Самопроизвольные процессы всегда идут с уменьшением свободной энергии (при T = const и V = const) или соответственно ее изобарного потенциала (при T = const и р = const). Иными словами могут идти лишь те процессы, при которых система способна совершать работу.

Смысл первого начала термодинамики можно сформулировать следующим образом: «Количество тепла Q, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии (U2-U1) и на производство внешней работы».