Эквивалентность массы и энергии
Рассмотрим две ИСО.
Пусть m0 – масса неподвижного относительно ИСО К’ тела. А сама система движется со скоростью v относительно ИСО К. Эта масса – для наблюдателя в К’. Для наблюдателя в системе К масса уже другая, то есть масса – величина относительная.
Мы видим, что масса для наблюдателя в системе К увеличивается (так как знаменатель меньше единицы).
Если v<<c, то m=m0 , справедлива классическая механика.
Если v< c, то m>m0
Численный пример:
Пусть m0=10 кг
Если бы тело двигалось со скоростью 0,01 скорости света, то m=10,0001кг, то есть отклонение очень маленькое.
Но если скорость приближается к скорости света – 0,99, то m=71кг, то есть масса сильно увеличивается.
Преобразование энергии
Энергия покоя:
Следовательно, тело обладает энергией только потому, что оно обладает массой. То есть энергия и масса эквивалентны.
Массу можно превратить в энергию, а энергию можно превратить в массу. Если исчезает некоторое количество массы покоя, то при этом должна выделяться эквивалентная ей энергия. Имеет место прямое превращение массы в энергию. Например, взрыв бомбы, сжигание вещества и т.д.
Например 1 кг песка эквиваленте 1017Дж. Такую энергию вырабатывают все электростанции мира, работая на полную мощность в течение недели.
Возможно ли всю массу превратить в энергию? Нет! Это запрещает закон сохранения тяжелых частиц при любом взаимодействии полное чисто протонов и нейтронов должно оставаться постоянным. Поэтому нельзя всю массу вещества превратить в энергию.
ВСТАВИТЬ ЛЕКЦИЮ
Основные концепции космологии
Строение и эволюция Вселенной. Модель большого взрыва. Звезды
Основные понятия
Космология– учение о Вселенной в целом, основанное на результатах исследований доступных для астрономических наблюдений.
Вселенная– весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Метагалактика– часть Вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений.
Существующие знания о Вселенной основаны на астрономических наблюдениях и на предположении о том, что законы природы, установленные на Земле, могут быть применены ко всей Вселенной.
Систематические целенаправленные наблюдения за Вселенной ведутся с момента проявления первых телескопов (1609-1610 гг. Галилей).
Начиная с 1931 года для изучения Вселенной используют также методы радиолокации – по отраженному радиосигналу определяют положение и скорость движения космического объекта.
Строение Вселенной
Наиболее распространенным типом небесных тел являются звезды.
Невооруженным глазом в безлунную ночь можно видеть над горизонтом около 3000 звезд.
В настоящее время астрономы определили положение нескольких миллионов звезд и составили их каталоги.
Около 240 звезд имеют собственные имена (Вега, Альтаир, Сириус и др.)
Звезда распределены на небе не равномерно, а отдельными компактными группами – созвездиями. Под созвездием понимают область неба в пределах некоторых установленных границ. Это сделано для удобства ориентировки на небесной сфере и обозначения звезд. Все небо разделено на 88 созвездий.
Группы звезд в созвездиях имеют устойчивую конфигурацию, т.е. взаимное расположение звезд в созвездии не изменяется с течением времени.
Многие созвездия имеют свои названия, сохранившиеся с глубокой древности (как правило, со времен древней Греции).
Некоторые названия связаны с древнегреческой мифологией (Андромеда, Персей, Пегас и др.).
Некоторые названия с предметами, на которые похожи фигуры, образуемые яркими звездами созвездий (Стрела, Треугольник, Весы и др.)
Многие созвездия названы имена животных (Лев, Рак, Скорпион)
Наиболее известное созвездие неба Северного полушария – Большая Медведица (старинное русское название – Воз).
Иногда в созвездии выделяют группу звезд с названием, отличным от названия созвездия – астеризм (Ковш в созвездии Малая Медведица).
Еще по 2 веке до н.э. весь видимый путь Солнца разделили на 12 равных частей. Совокупность созвездий, через которые проходит Солнце в течение года, назвали зодиакальными (греч. Zodiakos от zoon – животное).
Число зодиакальных созвездий равно числу месяцев в году. Каждый месяц обозначается знаком того созвездия, в котором Солнце в этот месяц находится.
Январь – Водолей
Февраль – Рыбы
Март – Овен
Апрель – Телец
Май – Близнецы
Июнь – Рак
Июль – Лев
Август – Дева
Сентябрь – Весы
Октябрь – Скорпион
Ноябрь – Стрелец
Декабрь – Козерог.
Эти названия были даны во 2 веке. Однако плоскость, в котором движется Солнце, постепенно наклоняется и день весеннего равноденствия медленно смещается (примерно 1 градус за 70 лет). Поэтому сейчас эти названия не совпадают полностью, так как Солнце проходит за месяц через два созвездия.
Гигантские звездные системы, состоящие из сотен миллиардов звезд, образуют галактику.
Солнечная система в окружении ее звезды составляет ничтожную часть нашей Галактики – Млечного Пути.
Ближайшие соседи нашей Галактики – Туманность Андромеды, Большие и Малые Магеллановы Облака.
Кроме звезд в состав галактик входят туманности – газопылевые скопления (межзвездный газ, состоящий из атомарного водорода и космическая пыль).
Американский астрофизик Э. Хаббл предложил следующую классификацию галактик:
1) Эллиптические галактикиимеют форму сплюснутых сфероидов. Состоит в основном из старых тел.
2) Спиральные галактики имеют форму спирали (Млечный Путь, Туманность Андромеды)
В рукавах спиральных галактик непрерывно происходит образование новых звезд.
3) – галактики неправильной формы
Млечный Путь относится к типу спиральных галактик и содержит около 150 миллиардов звезд, 95% массы Галактики расположено около галактической плоскости. Поэтому если смотреть с торца, Млечный Путь сосредоточен почти в одной плоскости.
Экваториальная плоскость окружена звездными скоплениями, которые называют «шаровыми скоплениями».
Пространство между галактиками и звездами внутри галактик заполнено очень разреженным вещество: межзвездным газом, космической пылью, элементарными частицами, а также электромагнитным излучением.
В каждом кубическом сантиметре межзвездного пространства в среднем находится один атом вещества. Для сравнения, в воздухе при нормальных условиях около 1019 молекул в 1 см3
При самом высоком вакууме, который может быть получен в лабораторных условиях (порядка 1042
Мм рт ст) в 1 см3
Масштабы Вселенной
Масштабы Вселенной столь велики, что использовать единицы длины, принятые в СИ, неудобно.
Для измерения расстояний между космическими телами используют следующие единицы:
В старой научной литературе:
Астрономическая единица (1 а.е.) – средний радиус орбиты Земли при ее обращении вокруг Солнца
1а.е. = 150 млн км
Наиболее удаленная от Солнца планета – Плутон, отстоит от него на расстояние 40 а.е. Это размер Солнечной системы.
В популярной литературе:
Световой год – расстояние, которое свет, распространяясь со скоростью 300 тыс км/с проходит за один земной год.
1 с.г. = 10000 млрд ка = 10 трлн км
Парсек– параллакс-секунда – расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну угловую секунду.
Секунда – единица изменения угла.
Параллакс -(от греч. «отклонение») – видимое изменение в положении предмета вследствие перемещения точки наблюдения.
В астрономии различают:
1) суточный параллакс – связан с суточным вращением Земли вокруг собственной оси.
2) Годичный параллакс – связан с вращением Земли вокруг Солнца
3) Вековой параллакс
По параллаксу небесных светил методами тригонометрии определяют расстояние до этих светил.
1 парсек – 206265 а.е. – 3, 3 световых года – 33 трлн км
Самая близкая к Солнцу звезда – Проксима Центавра, удалена от него на 1,3 пк
Солнце удалено от ядра нашей Галактики на расстояние 8000 пк
Диаметр Млечного Пути – около 40000 пк
Самая близка звезда в созвездии Андромеды находится на удалении 720000 пк.
Средняя плотность галактик в наблюдаемой части Вселенной – около 8-10 тысяч на один кубический миллион парсеков.
Типичная скорость относительного движения галактик – около 1000 км/с
Оценочное время вероятного столкновения галактик составляет около 1013 лет, что больше времени существования Вселенной в 1400 раз.
Пример Ридже («Этюды о Вселенной») – пошаговое путешествие во Вселенной. Следующий шаг должен быть в 10000 раз больше предыдущего. Предлагает посчитать количество шагов:
1) 4м
2) 40 км – стратосфера
3) 400000 км – Луна
4) 40 млрд км – граница Солнечной Системы
5) 4,3 световых года – около Альфа Центавры
6) 40000 световых года – ядро Галактики
7) 400 млн световых лет – недра Космоса (в межгалактическом пространстве)
8) 40 млрд световых лет – на это расстояние не удалиться, так размер Вселенной – 15 млрд световых лет (исходя из теории большого взрыва).