1. Как определить размеры Земли, расстояния до Луны, Солнца, звезд и галактики?

Мы умеем определять расстояния до Луны и других планет методом радиолокации, посылая сигнал и принимая отраженный. Время запаздывания дает нам представление о расстоянии. Лазерная локация Луны позволяет засекать расстояния на ее поверхности с точностью до долей сантиметров. Основная единица расстояний в Солнечной системе — это среднее расстояние от Земли до Солнца, которое примерно равно 150 млн км. Его называют астрономической единицей. По сути, это большой метр, которым измеряют расстояние как до планет Солнечной системы, так и до других звезд.

В 1989 году на околоземную орбиту был запущен спутник Hipparcos, названный в честь древнего астронома Гиппарха, который составил первый звездный атлас. Этот спутник смог определить параллаксы до более чем 100 тысяч звезд с точностью в 1 миллисекунду дуги и до 2,5 миллионов звезд с точностью, которая в 2–3 раза меньше. Это позволило нам создать трехмерную карту распределения звезд вокруг Солнца до расстояния примерно в 3000 световых лет, то есть около 1000 парсек. Но это всего лишь малая часть всего объема нашей Галактики, гигантской звездной системы, поперечник которой составляет сотню тысяч световых лет.

Когда астронавты посетили Луну более сорока лет назад, они оставили ряд отражательных зеркал на ее поверхности. Когда ученые здесь на Земле стреляют лазером на Луну, свет от него отражается обратно одним из этих устройств. С каждых 100 квадриллионов фотонов, отправленных на Луну, только горстка вернуться назад, но этого достаточно, чтобы получить точную оценку.

Поскольку свет движется со скоростью почти 300000 километров (186411 миль) в секунду, все путешествие займет немного больше секунды. Вычислив точное количество времени, необходимое для света, чтобы слетать на Луну и обратно, астрономы могут определить, как далеко Луна находится в любое время, вплоть до миллиметровой точности.

С этой техникой, астрономы также обнаружили, что Луна медленно отдаляется от нас, со скоростью 3,8 см (1,5 дюйма) в год. Спустя миллионы лет, в ночном небе она будет намного меньше, чем сегодня, а за несколько миллиардов лет или около того, Луна будет визуально меньше, чем Солнце, и мы больше не сможем увидеть полных солнечных затмений.

Единственный выход — увеличивать точность наблюдений. 19 декабря 2013 года был запущен спутник следующего поколения под названием Gaia, который должен будет в период с 2014-го по 2020 год измерить высокоточные параллаксы примерно миллиарда звезд с точностью в 10 микросекунд дуги.

Широкое распространение среди методов определения расстояния получил метод стандартной свечи. Например, у вас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт, вы знаете, что освещенность, которую эта лампа создает на расстоянии в 1 метр, в 4 раза больше освещенности, которую она создает с расстояния вдвое больше, потому что освещенность падает обратно квадрату расстояния. Звезды можно считать такими же лампами. Две звезды одинакового размера и температуры должны излучать одинаковую энергию. Если мы каким-то образом можем узнать эту энергию, такую звезду или звезды подобного типа можно использовать для измерения расстояния.

2. Законы сохранения импульса и момента импульса в микро-, макро- и мегамире

Весьма важным для понимания законов природы является принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е. параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т. е. изменения ряда физических условий.

В широком смысле симметрия означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении (преобразовании) ее параметров. Наглядным примером пространственных симметрии физических систем является кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов – закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов. Она заключается в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения.

Орнамент – наверное, самое древнее отображение идеи симметрии, лежащей в основе многих фундаментальных законов.

Многие процессы в природе имеют симметричный характер. С помощью математической модели можно продемонстрировать, например, довольно сложный характер взаимодействия электрона с ионами кристаллической решетки, что видно из рис. 1, где прослеживается зарождение упорядоченной симметричной системы из хаотических фрагментов.

Рис. 1. Рождение порядка из хаоса

Из сформулированного принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью пространства и времени.

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

Из свойства симметрии пространства – его однородности следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать.

Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со временем. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Если работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной (например, сила трения).

Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными системами. Закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется.

В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Этот процесс называется диссипацией, или рассеянием энергии. Строго говоря, все реальные системы в природе диссипативные.

В консервативных системах полная механическая энергия остается постоянной, могут происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах.

Закон сохранения и превращения энергии – фундаментальный закон природы; он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для микросистем.

В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные силы, например силы трения, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии – сущность неуничтожения материи и ее движения, поскольку энергия, по определению, – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

Закон сохранения энергии – результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея этого закона принадлежит М.В. Ломоносову (1711–1765), изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная его формулировка дана немецкими учеными – врачом Ю. Майером (1814–1878) и естествоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821–1894).

Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства – его изотропности. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлении осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).

Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы – закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени.

3. Поясните понятие температуры и теплоты

Температура — характеристика степени нагретости тела. Теплота кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).
Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить, наблюдая за движением каждой его молекулы по отдельности. Напротив, только изучая макроскопические свойства вещества, можно найти усредненные за некий период времени характеристики микроскопического движения многих молекул.

Температура вещества — это средний показатель интенсивности движения молекул, энергия которого и есть тепловая энергия вещества.

Тепловое равновесие. Очевидно, что если два тела A и B плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловое равновесие, – достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можно убедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесие с телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометра. В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики: если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти тела находятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основе всех способов измерения температуры.

Соприкасающиеся тела  A и B имеют одинаковую температуру; о таких телах говорят, что они находятся в тепловом равновесии друг с другом. Чтобы проверить, находятся ли в тепловом равновесии несоприкасающиеся тела, используют третье тело С, приводя его в соприкосновение с каждым из тел А и В и измеряя их температуру.

Если мы хотим проводить точные эксперименты и вычисления, то таких оценок температуры, как горячий, теплый, прохладный, холодный, недостаточно – нам нужна проградуированная температурная шкала. Существует несколько таких шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Четыре наиболее распространенные шкалы представлены на рис. 2. Стоградусная шкала, по которой точке замерзания воды соответствует 0°, а точке кипения 100°, называется шкалой Цельсия по имени А.Цельсия, шведского астронома, который описал ее в 1742. Полагают, что впервые применил эту шкалу шведский натуралист К.Линней. Сейчас шкала Цельсия является самой распространенной в мире. Температурная шкала Фаренгейта, в которой точкам замерзания и кипения воды соответствуют крайне неудобные числа 32 и 212°, была предложена в 1724 Г.Фаренгейтом. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C + 32, а для обратного перевода – формула °C = (5/9)(°F-32).

Обе шкалы – как Фаренгейта, так и Цельсия, – весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю – точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая – абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°R) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7° R и 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,16, а градусы Фаренгейта – в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459,7.

4. Поясните гипотезу «тепловой смерти» Вселенной

В истории современной науки существует, так называемая, гипотеза тепловой смерти Вселенной. Она утверждает, что в итоге все виды материи и энергии в пределах нашей Вселенной будут преобразованы в тепловое движение как вид энергии, и она будет равномерно распределена по всему пространству. Макроскопические преобразования и процессы в этом веществе прекратятся.

Большинство ученых современности считает данную гипотезу не корректной. Родоначальником этой гипотезы был физик Р. Клаузиус, который в 1865 году сделал на основе второго закона термодинамики такие теоретические выводы. Соответственно второму началу, любая, термодинамически замкнутая система (которая не может обмениваться любыми видами энергии или вещества) стремится к своему собственному состоянию равновесия – это состояния наибольшего значения энтропии (мера неупорядоченности системы).

Попытки опровергнуть данную теорию осуществлялись еще до того момента как были разработаны основные концепции космологии как науки. Самой известной попыткой являлась концепция флуктуации Л. Больцмана, в соответствии с которой, наша Вселенная постоянно находится в изотермическом состоянии равновесия. Однако, случайным образом, могут появляться отклонения от равновесия в разных локализованных регионах. Чем более существенно отклонение от равновесия и чем больший участок задействован, тем реже происходят эти отклонения.

Современная космологическая наука доказывает, что гипотеза тепловой смерти Вселенной и ранние опровергающие ее варианты были ошибочны. Прежде всего, ошибка была вызвана тем, что ученые не учитывали гравитационные поля и их действие на различные объекты космического пространства а также другие физические факторы.

Если учесть гравитацию, то изотермическое равномерное распределение энергии не будет совпадать с максимальным значением энтропии и не будет самым вероятным событием. Последние исследования показали, что пространство нашей Вселенной не стационарно. Она постоянно расширяется, материя, которая первоначально была однородной, под действие различных гравитационных сил разделяется на скопления, из которых позднее формируются галактики, планетарные системы, звезды. Данные процессы происходят с ростом энтропии (как и все процессы во Вселенной) и не нарушают термодинамических законов. Эти преобразования не приближают однородное состояние энергетического изотермного равновесия нашего Мира.

5. Поясните роль воды в существовании жизни на Земле

Вода — самое распространенное на Земле вещество, она занимает более 70% площади поверхности земли, и только около 30% приходится на долю суши. Вода придает Земле тот неповторимый вид, который отличает ее от других планет Солнечной системы.

В философии древних греков отражалось глубокое понимание значения воды во всех явлениях природы и в жизни человека.  Так, Фалес Милетский, великий древнегреческий философ и математик, живший в 6-7 в.в. до н.э., высказал гениальную догадку, что вода — первооснова всего на Земле. Современная наука, в том числе экология, полностью подтвердила это. Вода — непременная составная часть всего живого, она играет первостепенную роль в жизни всех живых существ, в том числе человека.

Как утверждают ученые, жизнь на Земле впервые появилась в воде, а лишь потом распространилась на сушу/ Свою зависимость от воды наземные организмы сохранили в ходе эволюции в течение многих миллионов лет.

Вода обеспечивает доставку питательных веществ и кислорода ко всем клеткам тела, защиту и буферизацию жизненно важных органов, регуляцию температуры тела, помогает в преобразовании пищи в энергию, усвоении питательных веществ органами, вывод шлаков и отходов в процессе жизнедеятельности и выполнение целого ряда других функций.

При взаимодействии с веществами, воду можно определить как раствор за ее химические свойства. Вода сумеет растворить почти все. В природных условиях вода всегда содержит то или иное количество примесей, взаимодействует не единственно с твердыми и жидкими веществами, но и растворяет газы.

Воду можно приобщить к группе весьма сложных веществ по своим свойствам и способностям. Вода, будь она из-под крана или же как результат химической реакции, предполагает единственный состав, но разное влияние на живой организм. Не смотря на практически идентичный состав, каждая вода формируется в собственных условиях. И ежели жизнь — это одушевленная вода, то, также как и жизнь, вода многолика и параметры ее бесконечны.

Воду за ее свойства и качества можно охарактеризовать как естественный целитель. В современном фольклоре многих народов можно подобрать многочисленные высказывания, представляющие то или иное отношение к воде, к ее роли в жизни, смыслу, который она несет в себе.

Значение воды в существовании нашей планеты удивительна и раскрыта еще не до конца. Что было бы, если на Земле не стало бы рек, морей и океанов? Как бы тогда возникла жизнь на Земле? В подобным случае жизнь на нашей планете не имела способность бы даже появиться. Непосредственно воде Земля обязана возникновением и развитием жизни, следовательно, не будь ее, не было бы и нас. В таком случае ни один живой бы организм не выжил бы, а жизнь бы не появилась.

Химическая формула воды — Н2О — поражает своей простотой. Однако кажущаяся столь простой вода по своей структуре и свойствам — вещество совершенно уникальное.

Вода является одним из самых сложных веществ, как с физической, так и химической точек зрения. Вода относится к веществам, которые наиболее трудно получить в чистом виде. Чистая вода всегда является смесью легкой воды (Н2О) и очень малых количеств тяжелой и сверхтяжелой воды.

Вода — это вещество, физические константы которого отличаются наибольшим количеством аномалий.

1. При нагревании от 0 до 4°С объем воды не увеличивается, а уменьшается, и максимальная плотность достигается не в точке замерзания (0°С), а при 4°С.
2. При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается.
3. Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается.
4. Удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с удельной теплоемкостью других веществ.
5. Вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью в сравнении с другими жидкостями.
6. У воды самое большое поверхностное натяжение из всех жидкостей: 75?10-3 Дж/м2.

Одна из причин аномалии — в особенностях строения и способности молекул воды к сильному взаимодействию. Благодаря аномалии воды в конечном счете обеспечивается жизнь на Земле. Вода, как известно, может находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях. Она остается жидкостью в температурных интервалах, наиболее подходящих для жизненных процессов. Для огромной массы организмов вода является средой их жизни и эволюции. В определенное время года жидкая вода может замерзнуть и покрыться льдом. При замерзании при 0°С вода превращается в лед, при этом происходит расширение объема на 10%. Замерзание идет сверху вниз, лед легче воды и плавает на поверхности. Эта особенность имеет большое значение для жизни обитающих в водоемах (водных системах) организмов. Если бы лед был тяжелее воды, водоемы промерзали бы до дна и жизнь в них замирала.

Высокая удельная теплоемкость, медленное нагревание и охлаждение наряду с другими факторами определяют годовые, суточные и даже часовые колебания температуры океанов и озер. Эти колебания заметно отличаются от изменений температуры на суше. Указанное свойство воды определяет различие в температурном режиме почв, в конечном итоге оказывает существенное влияние на жизнь водных и почвенных организмов. Жизнь в воде многообразнее, чем на суше.

Природные воды находятся в сложных обратимых взаимоотношениях с организмами, горными породами, атмосферой. Происходящий в природе круговорот самоочищающейся воды — вечное движение, обеспечивающее жизнь на Земле, — оценивают в 483 000 км/год. Присутствующий в атмосфере водяной пар играет роль фильтра для солнечной радиации, а вода на земной поверхности служит своего рода мощной буферной системой, смягчающей действие экстремальных температур.

6. Какие методы использовались для изучения строения ядра? Какие силы удерживают частицы в ядре?

Исследования атомных ядер насчитывают уже почти столетнюю историю. За это время они привели к коренному изменению наших представлений о строении материи. В этих исследованиях можно выделить три направления.

1. Радиоактивный распад ядер. В этом подходе измеряют спектры частиц, испускаемых при радиоактивном распаде. Они являются основным источником информации о свойствах ядер при низких энергиях возбуждения и о характере взаимодействий, вызывающих радиоактивный распад (сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия).
2. Ядерные реакции. В этом случае изучают взаимодействие различных бомбардирующих частиц (от g-квантов до тяжелых ионов) с ядрами, образование новых ядер и их распад. Получаемые при этом данные о структуре ядра охватывают более широкий диапазон энергий возбуждения, который обычно не проявляется при радиоактивном распаде.
3. Оптические спектры атомов или ионов. Эти спектры не только являются богатым источником информации о строении атома, но в них отражаются также некоторые ядерные характеристики, связанные в основном с электрическим зарядом ядра.

Оптические методы возникли задолго до открытия радиоактивности и атомного ядра, их успешно использовали для изучения состава и строения вещества. К настоящему времени они получили широкое применение во многих областях науки и техники. Хотя по объему получаемой информации о свойствах ядер оптические методы уступают другим указанным выше, их роль трудно переоценить. Данные о ряде ядерных характеристик были впервые получены при использовании оптических методов. К ним можно отнести механический момент (спин) ядра, магнитный дипольный и электрический квадрупольный моменты. Еще один пример — наблюдение эффекта несохранения пространственной четности в атомных спектрах. Это явление стало одним из решающих доказательств единой природы электромагнитных и слабых взаимодействий.

Оптические методы характеризуются особенностями, которые выделяют их среди других методов исследований ядер.

1. Взаимодействие между ядром и атомными электронами является чисто электромагнитным. Характер этого взаимодействия хорошо известен, он описывается законом Кулона и уравнениями Максвелла. Поэтому ядерные параметры можно определить по измеряемым спектрам без привлечения каких-либо модельных представлений.
2. Используемая экспериментальная техника, основанная на волновых свойствах излучения, позволяет проводить измерения с очень высокой точностью, недоступной другим методам. При этом диапазон длин волн оптического излучения (0,1-1,0 мкм) является оптимальным для таких измерений. Такие длины волн удобны для эффективной транспортировки, фокусировки и анализа светового излучения и в то же время позволяют регистрировать отдельные фотоны.

Указанные выше характерные особенности оптических методов и определяют их роль и место в исследованиях ядер. Поскольку спектр уровней атома определяется электромагнитным взаимодействием между электронами и зарядом ядра, то изучение этого спектра позволяет получать информацию об особенностях распределения электрического заряда и тока в ядре.

Как известно, ядро представляет собой связанную систему из нуклонов (заряженных частиц протонов и нейтральных нейтронов). Устойчивость этой системы определяется наличием так называемых сильных взаимодействий (или ядерных сил) между нуклонами. Эти взаимодействия носят сложный характер и зависят от нескольких параметров (расстояние между нуклонами, взаимная ориентация их угловых моментов, присутствие рядом других нуклонов и т.д.). Ядерные силы наряду с электромагнитными, которые действуют между заряженными протонами, и определяют размеры и форму ядер, пространственное распределение в них электрического заряда и ядерного вещества.

Из опытов по рассеянию заряженных частиц на ядрах установлено, что распределение в них плотности электрического заряда характеризуется постоянной величиной в центральной области и плавным спадом на периферии. В случае более простого, например равномерного, распределения электрического заряда по объему ядра с радиусом R величина

Нуклоны в ядре распределены не хаотично, а формируют оболочечную структуру. При определенных числах протонов или нейтронов (2, 8, 20, 28, 50, 82) образуются замкнутые оболочки, при которых ядра характеризуются повышенной стабильностью и более компактными размерами. В то же время нуклоны сверх заполненных оболочек воздействуют на остов ядра так, что изменяют его форму. В результате этого некоторые ядра приобретают форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида (деформированные ядра).

Движущиеся в ядре протоны вызывают электрический ток, который индуцирует магнитный дипольный момент. К нему добавляются собственные (спиновые) магнитные моменты протонов и нейтронов. В результате этого образуется магнитный дипольный момент ядра, включающий орбитальные ml и спиновые ms моменты всех нуклонов ядра. Характер движения нуклонов в ядре такой, что для каждой пары протонов или нейтронов их магнитный и механический моменты направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга. Поэтому эти моменты ядра определяются моментами неспаренных частиц.

Как известно, энергия атомных уровней зависит в первую очередь от величины электрического заряда ядра. Рассмотренное выше пространственное распределение заряда, наличие в ядре электрического тока вызывают возмущение атомных уровней, которые приводят к их сдвигу и расщеплению. Причиной сдвигов атомных уровней является то, что энергия квазистационарных состояний системы ядро-электрон зависит от конечных размеров ядра. Хотя размеры ядра (~10-12 см) много меньше размеров атома (~10- 8 см), атомный электрон с конечной вероятностью может находиться в области ядра, где потенциал взаимодействия отличается от кулоновского. Возникающий вследствие этого сдвиг уровня наибольший для электронов с орбитальным моментом l = 0 (s-электроны).

Поскольку точечных ядер в природе не существует, то на практике сравнивают сдвиги уровней различных изотопов одного элемента. При этом обычно измеряют не энергии уровней, а частоты оптических переходов между двумя уровнями, один из которых чувствителен к пространственному распределению заряда ядра (уровень с s-электроном). Из измеренной таким образом разности частот (изотопического сдвига Dn = DE / «, где » — постоянная Планка) и определяют разность среднеквадратичных зарядовых радиусов сравниваемых изотопов:

Dn = CF D бr 2с,

где константа С зависит от квантовых характеристик атомных уровней, а константа F — от распределения заряда в ядре.

Движущиеся по орбитам атома электроны индуцируют магнитный момент, который, взаимодействуя с магнитным моментом ядра, вызывает расщепление атомных уровней на ряд компонент (сверхтонкое расщепление).

Расстояние между этими компонентами зависит от значений моментов F, I и J, а также от величин магнитного дипольного m и электрического квадрупольного Q моментов. Таким образом, измерения изотопических сдвигов и сверхтонкого расщепления оптических линий в спектрах атомов позволяют определить некоторые ядерные характеристики: среднеквадратичный зарядовый радиус, электрический квадрупольный и магнитный дипольный моменты, — которые позволяют получить детальную информацию о радиальном и азимутальном распределении электрического заряда и тока в ядре.

Величина сдвига (или расщепление оптических линий) очень мала. Даже для самых тяжелых элементов она, как правило, не превышает 10- 5 от энергии уровня (DE / E < 10- 5). Это предъявляет высокие требования к энергетическому разрешению используемой для измерений экспериментальной методики. Под энергетическим разрешением понимается отношение разброса измеряемой величины Dx к его среднему значению и оно должно быть не хуже указанных значений сдвига или расщепления (<10- 5).

Как известно, радиоактивное излучение имеет двойственную природу — корпускулярную и волновую. В измерениях энергетических спектров этого излучения используется та или другая из указанных характеристик. При использовании корпускулярных свойств регистрируется каждая частица, а ее энергия преобразуется в форму, удобную для измерения (обычно в электрические сигналы). Однако энергетическое разрешение в этом случае недостаточно хорошее, оно хуже 10- 3, так как определяется статистической природой преобразования энергии частицы, что приводит к флуктуации числа носителей заряда и разбросу амплитуд измеряемых сигналов. Более высокое разрешение можно получить измеряя отклонение траектории частицы в электрическом или магнитном поле (электрические или магнитные спектрометры). Однако этот метод ограничен заряженными частицами и имеет сравнительно низкую эффективность.

Наиболее высокого разрешения можно достигнуть используя волновые свойства излучения. В этом случае измеряется длина волны излучения, которая связана с энергией частицы соотношением

Измерение длины волны основано на использовании какого-либо эффекта, присущего волновому характеру излучения. Обычно для этого используют такие эффекты, как преломление света в веществе, дифракция и интерференция. На этих эффектах основаны различные типы приборов для измерения длин волн светового излучения: призменные спектрометры, дифракционные решетки и интерферометры [2].

7. Как вы понимаете корпускулярно-волновой дуализм?

Корпускулярно-волновой дуализм – свойство любой микрочастицы обнаруживать признаки частицы (корпускулы) и волны. Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как хорошо локализованные в пространстве материальные объекты (частицы), двигающиеся с определёнными энергиями и импульсами по классическим траекториям, а в других – как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Так электромагнитная волна, рассеиваясь на свободных электронах, ведёт себя как поток отдельных частиц – фотонов, являющихся квантами электромагнитного поля (Комптона эффект), причём импульс фотона даётся формулой р = h/λ, где λ – длина электромагнитной волны, а h – постоянная Планка. Эта формула сама по себе – свидетельство дуализма. В ней слева – импульс отдельной частицы (фотона), а справа – длина волны фотона.

Дуализм электронов, которые мы привыкли считать частицами, проявляется в том, что при отражении от поверхности монокристалла наблюдается дифракционная картина, что является проявлением волновых свойств электронов. Количественная связь между корпускулярными и волновыми характеристиками электрона та же, что и для фотона: р = h/λ (р – импульс электрона, а λ – его длина волны де Бройля).

Корпускулярно-волновой дуализм лежит в основе квантовой физики.

8. Каковы модели развития Вселенной вам известны?

Результаты познания, получаемые в космологии, оформляются в виде моделей происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что в космологии невозможно поставить воспроизводимые эксперименты и вывести из них какие-то законы, как это делается в других естественных науках. Кроме того, каждое космическое явление уникально. Поэтому космология оперирует моделями.

Уже древние мудрецы задавались вопросом о происхождении и устройстве Вселенной. Их взгляды и идеи были неотъемлемым компонентом философских систем древности. Эти первые космологические идеи, сохранившиеся до наших дней в виде мифов, основывались на астрономических наблюдениях. Жрецам Вавилона, Египта, Индии и Китая удалось точно вычислить продолжительность года, повторяемость солнечных и лунных затмений. Наблюдая за небесными телами, они смогли выявить две группы небесных тел: подвижные и неподвижные. Множество звезд долгое время считались неподвижными объектами. К числу подвижных тел относились Луна, Солнце и пять известных в то время планет, названных именами богов (впервые это было сделано в Вавилоне, сегодня же мы используем в качестве названий планет имена римских богов) — Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В их честь неделя была разделена на семь дней, каждый из которых в существующей и сегодня астрологической традиции связан с одним из подвижных тел. Из наблюдения видимого движения Солнца по небесной сфере были открыты двенадцать так называемых зодиакальных созвездий.

С приходом Нового времени философия уступила свое первенство в создании космологических моделей науке, которая добилась особенно больших успехов в XX в., перейдя от различных догадок к достаточно обоснованным фактам, гипотезам и теориям. Первым результатом стало появление в XVI в. гелиоцентрической модели Вселенной, автором которой стал Николай Коперник. В этой модели Вселенная все еще представляла собой замкнутую сферу, в центре которой находилось Солнце, а вокруг него вращались планеты, в том числе и Земля.

Успехи космологии и космогонии в XVIII—XIX вв. завершились созданием классической полицентрической картины мира, ставшей начальным этапом развития научной космологии. Данная модель достаточно проста и понятна. Вселенная считается бесконечной в пространстве и во времени, иными словами, вечной. Основным законом, управляющим движением и развитием небесных тел, является закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя пассивную роль вместилища для этих тел. Время также не зависит от материи, являясь универсальной длительностью всех природных явлений и тел. Исчезни вдруг все тела, пространство и время сохранились бы неизменными. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим, точнее, погасшим, звездам приходят новые, молодые светила. Хотя детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными, в основном эта модель казалась стройной и логически непротиворечивой. В таком виде классическая полицентрическая модель просуществовала в науке вплоть до начала XX в.

Однако в данной модели Вселенной было несколько недостатков. Закон всемирного тяготения объяснял центростремительное ускорение планет, но не говорил, откуда взялось стремление планет, а также любых материальных тел двигаться равномерно и прямолинейно. Для объяснения инерциального движения пришлось допустить существование в ней божественного «первотолчка», приведшего в движение все материальные тела. Кроме того, для коррекции орбит космических тел также допускалось вмешательство Бога. Таким образом, классическая полицентрическая модель Вселенной лишь частично носила научный характер, она не смогла дать научного объяснения происхождения Вселенной и поэтому была заменена другими моделями.

К концу XIX в. появились серьезные сомнения в классической космологической модели. Они приняли форму так называемых космологических парадоксов — фотометрического, гравитационного и термодинамического.

Фотометрический парадокс. Еще в XVIII в. швейцарский астроном Р. Шезо высказал сомнения в пространственной бесконечности Вселенной. Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Тогда небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы бесконечную светимость, т.е. такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Однако этого не происходит. Независимо от Шезо к аналогичным же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо—Ольберса. Таков был первый космологический парадокс, поставивший под сомнение пространственную бесконечность Вселенной.

Гравитационный парадокс. В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, также неизбежно вытекавший из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от способа вычисления. Поскольку этого не происходит, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел во Вселенной ограничено, а значит, и сама Вселенная не бесконечна.

Термодинамический парадокс. Третий, термодинамический, парадокс также был сформулирован в XIX в. Он вытекает из второго начала термодинамики — принципа возрастания энтропии. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы — закону сохранения энергии. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, а материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в то время почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго начала термодинамики, открытого в середине XIX в. англичанином Кельвином и немецким физиком Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве. Так как процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит тепловая смерть Вселенной.

Встать на позицию Клаузиуса — значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно, а в будущем, если не случится какого-нибудь чуда, Вселенную ждет тепловая смерть.

Таким образом, концепция тепловой смерти Вселенной, термодинамический парадокс подставили под сомнение вопрос о вечности Вселенной во времени. Три космологических парадокса заставили ученых усомниться в классической космологической модели Вселенной, побудили их к поискам новых непротиворечивых моделей.

Релятивистская модель Вселенной. Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.

Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый.

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн допускал в своей космологической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна была обеспечить стационарность, неизменность Вселенной. Однако последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.

Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели развития Вселенной.

В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.

Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а пространство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.

В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное.

По какому из этих трех вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют открытой Вселенной.

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирующей, или закрытой, Вселенной.

В граничном случае, когда силы гравитации точно равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения. Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Вселенная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.

9. Определите геофизические условия жизни

Геофизика является обобщающей наукой, изучающей Землю и околоземное пространство с помощью естественных и искусственных физических полей. Геофизика занимает среди точных и естественных наук, таких как астрономия, физика, математика, география, геология, химия уникальное стыковое положение. Геофизика использует достижения этих наук и родственных им научно-прикладных дисциплин, ставя перед ними немало проблем теоретического и прикладного плана. Глобальная геофизика – это обобщающая фундаментальная наука, она включает не только физику Земли, но и геофизику космоса и атмосферы, гидросферы, а также науки, изучающие конкретные физические поля Земли.

Так, геофизика воздушной оболочки включает физику космоса и атмосферы, метеорологию, климатологию и др. Геофизика водной оболочки (гидросферы) состоит из гидрофизики, океанологии, физики моря, лимнологии (изучение озер), гидрологии (изучение рек), подземной гидросферы, гляциологии (изучение ледников) и др. Из геофизики литосферы выделилась разведочная, или прикладная геофизика.

Методы, используемые при поисках и разведке полезных ископаемых: 1) гравиразведка; 2) магниторазведка; 3) электроразведка; 4) сейсморазведка; 5) терморазведка. Кроме того, применяются ядерно-геофизический и геофизические методы исследования скважин. Предметом исследований прикладной геофизики являются: 1) глубинные структуры земной коры на суше и океанах; 2) кристаллический фундамент; 3) осадочный чехол; 4) полезные ископаемые; 5) верхняя часть земной коры.

Цель прикладной геофизики – восстановление строения, состава, истории развития объектов земной коры на основе косвенной информации о физических полях. В настоящий момент ведутся активные работы по созданию и усовершенствованию современных геофизических методов, таких как: гравика, сейсмика, магниторазведка, электроразведка, и др.

Создается современное программное обеспечение для обработки геофизических данных. Разрабатываются способы качественной и количественной интерпретации геофизических исследований.

10. Чему равен гравитационный потенциал поля тяготения на Земле?

Все планеты Солнечной системы имеют форму, близкую к сферической. Поэтому, гравитационное поле шара можно рассматривать, как первое приближение к гравитационному полю планеты. Во втором приближении можно учесть тот факт, что некоторые планеты, в том числе и Земля, гораздо лучше могут быть представлены эллипсоидом вращения, чем шаром. В третьем приближении мы можем учесть и некоторые особенности в распределении масс внутри планеты и т.д. Короче говоря, гравитационное поле планеты обычно представляют рядом по шаровым функциям. В зависимости от решаемой задачи, предъявляются разные требования к детальности исходных данных, к числу членов разложения и к числу исходных параметров.

Итак, будем считать, что наша фиксированная точка , в которой нам необходимо получить гравитационный потенциал планеты, — внешняя. Снова, как и в приведенных выше формулах, будем считать, что вектор  определяет координаты фиксированной точки , а абсолютная величина этого вектора — расстояние точки  от начала координат. Радиус-вектор элемента массы  мы снова будем обозначать буквой . Расстояние между фиксированной точкой  и элементом массы  — буквой . Интегрирование по объему тела планеты мы будем помечать нижним пределом . Запишем гравитационный потенциал планеты в виде интеграла

Поскольку точка  лежит вне планеты и, как правило, достаточно далеко от нее удалена, то подынтегральное выражение можно разложить в ряд по степеням отношения . Мы тут же столкнемся с так называемыми полиномами Лежандра, на некоторых сведениях о их свойствах необходимо остановиться.

Таким образом, шаровая функция нулевой степени есть масса планеты (момент инерции нулевого порядка), первой степени определяется через координаты центра масс (момент инерции первого порядка) шаровая функция второй степени определяется через моменты инерции второго порядка. Продолжая рассуждения, мы убедимся в том, с увеличением степени шаровой функции, увеличивается и порядок моментов инерции планеты, через которые эти шаровые функции определяются. Поэтому говорят, что члены разложения гравитационного потенциала высокого порядка определяются через мультипольные моменты ее массы.

В задачах небесной механики часто используются следующие упрощения представления гравитационного потенциала, в предположении, что начало координат совпадает с центром масс, направления осей параллельны главным осям инерции, фигура планеты — тело вращения.

Список использованной литературы

1. Вонсовский, С.В. Современная естественнонаучная картина мира: учеб. пособие для студентов / С.В. Вонсовский. – Ижевск, 2006. – 671– 677 с.
2. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студентов / А.А. Горелов. – М.: Юрайт-Издат, 2009. – 335 с.
3. Липкин, А.И. Концепции современного естествознания: курс лекций / А.И. Липкин; Рос гум. унт. – М.: РГГУ, 2009. – 127 с.
4. Найдыш, В.М. Концепции современного естествознания: учебник для студ. вузов / В.М. Найдыш. – 3-е изд., перераб. и. доп. – М.: Альфа-М, ИНФРА-М, 2009. – 704 с.
5. Савченко, В.Н. Начало современного естествознания: тезариус: учеб. пособие для студ. вузов / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. – Ростов н/Д.: Феникс, 2006. – 336 с.
6. Садохин, А.П. Концепции современного естествознания: учебник для студ. вузов / А.П. Садохин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. –447 с.