Физика пространства - времени

Каковы сравнительные значения этих четырёх видов энергии для железного шара радиусом 1 м?

✔

1) Внутренняя энергия элементарных частиц (определяемая массами покоя входящих в шар нейтронов и протонов): 3,3⋅10⁴ кг. 2) Ядерная энергия (определяемая изменением массы при объединении нейтронов и протонов и образовании 𝙵𝚎⁵⁶): 3,1⋅10² кг. 3) Электрическая энергия (определяемая энергией связи электронов в атомах железа и энергией связи атомов железа в кристаллической решётке металлического железа; вся эта энергия даётся в переводе в единицы массы): около 2⋅10⁻² кг. 4) Гравитационная энергия (энергия, требующаяся для удаления атомов железа на бесконечность против сил тяготения, переведённая в единицы массы): около 2⋅10⁻¹⁹ кг

❔

Какой из этих четырёх видов энергии возрастает быстрее всего при увеличении числа частиц?

✔

Гравитационная энергия, ибо каждая частица гравитационно взаимодействует с любой другой частицей

❔

Существуют ли условия, при которых соотношение между этими четырьмя видами энергии радикально изменяются?

✔

Да, в достаточно массивной звезде (если звезда холодная, то при массе, примерно равной массе Солнца, т.е. 2⋅10³⁰ кг; если горячая, то при большей массе, когда плотность оказывается ниже и гравитационные силы должны действовать на больших расстояниях)

❔

Могут ли силы гравитационного притяжения в достаточно массивном или достаточно плотном (или и массивном и плотном одновременно) астрономическом объекте возобладать над силами, обусловливающими внутреннюю структуру элементарных частиц, и вызвать исчезновение этих частиц?

✔

Мы не знаем ответа на этот вопрос, хотя он и возбуждает большой интерес и в настоящее время интенсивно исследуется как «гравитационный коллапс». Внимание было привлечено к этому гипотетическому механизму в январе 1963 г., когда был открыт так называемый «квазизвёздный объект» — часть некой галактики, отстоящей от нас на расстоянии 2⋅10⁹ световых лет,— выделяющей за короткий по астрономическим масштабам промежуток времени в 10⁶ лет или менее энергию (около 10⁵⁴ дж), эквивалентную той, которая выделилась бы при полном превращении в энергию массы около 10⁷ солнц. Сейчас открыты и продолжают открываться многочисленные другие квазизвёздные источники (это название теперь сокращённо произносится как «квазар»)

❔

Существуют ли какие-либо другие условия, при которых можно ожидать эффектов, аналогичных гравитационному коллапсу, с исчезновением элементарных частиц, или обратных процессов, при которых давление падает и происходит расширение?

✔

Эти условия существовали на ранних этапах расширения Вселенной и должны существовать на поздних этапах, когда Вселенная будет снова сжиматься

❔

Что подтверждает представления о расширении Вселенной?

✔

Разбегание галактик: галактики, находящиеся на вдвое большем расстоянии, убегают вдвое быстрее и т.д., как если бы они вылетели из общего центра с разными скоростями около 14⋅10⁹ лет назад

❔

Какая сила доминирует в больших масштабах в динамике Вселенной?

✔

Гравитация (кривизна пространства-времени)

4. Решения упражнений

РЕШЕНИЯ УПРАЖНЕНИЙ К ГЛАВЕ 1

1. Пространство и время — подробный пример

Решение дано в тексте.

2. Практическая синхронизация часов

Установите стрелки часов в положение, соответствующее √6²+8²+0²=10 м светового времени. Нажмите кнопку пуска часов в момент прихода опорного сигнала. ▲

3. Соотношения между событиями

Ответы на вопросы а), б) и в) согласно рис. 34. Для событий 𝐴 и 𝐵: а) временноподобный интервал; б) 4 м собственного времени; в) да; для событий 𝐴 и 𝐶: а) пространственноподобный интервал; б) 4 м собственного расстояния; в) нет; для событий 𝐶 и 𝐵: а) светоподобный интервал; б) нуль; в) да, так как эти события можно связать одним световым лучом. ▲

4. Одновременность

Слово «одновременность» пригодно для описания соотношения между событием «𝐴 сталкивается с 𝐵» и событием «𝐶 сталкивается с 𝐷» лишь в конкретной инерциальной системе отсчёта. Чтобы охарактеризовать соотношение между этими двумя событиями независимо от какого бы то ни было выбора системы отсчёта, следует сказать: событие «𝐴 сталкивается с 𝐵» отделено от события «𝐶 сталкивается с 𝐷» пространственноподобным интервалом в миллион миль. ▲

5. Временно'й порядок событий

Случай светоподобного интервала. Если световой луч может непосредственно пройти от события 𝐺 к событию 𝐻, то эти события связаны между собой светоподобным интервалом,— это чисто физическое утверждение, никак не связанное с выбором инерциальной системы отсчёта. Но это значит, что событие 𝐺 предшествует 𝐻 в любой инерциальной системе, что и требовалось доказать.