Номер 1, страница 402 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Почему классическая механика и теория тяготения Ньютона неприменимы для описания строения и эволюции Вселенной?

Классическая механика и теория всемирного тяготения Ньютона являются блестящими научными достижениями, которые прекрасно описывают движение тел в условиях, близких к земным: при невысоких скоростях и в слабых гравитационных полях. Однако при попытке применить их для описания Вселенной в целом возникают непреодолимые трудности и противоречия. Это связано со следующими основными причинами:

1. Пределы применимости теории Ньютона.
Теория Ньютона является частным случаем, или низкоэнергетическим приближением, Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. Законы Ньютона перестают работать в следующих условиях, которые являются типичными для Вселенной в больших масштабах:

• Сильные гравитационные поля: Вблизи очень массивных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры, гравитация настолько сильна, что искажает пространство-время. Теория Ньютона не учитывает этого эффекта, в то время как ОТО описывает гравитацию именно как искривление пространства-времени под действием массы и энергии.
• Высокие скорости: Классическая механика неверно описывает движение объектов, скорости которых сравнимы со скоростью света ($c \approx 300 \, 000$ км/с). В расширяющейся Вселенной далекие галактики могут удаляться от нас с околосветовыми скоростями. Их движение и связанные с ним эффекты (например, красное смещение) корректно описываются только в рамках релятивистской физики.

2. Скорость распространения гравитации.
В теории Ньютона гравитационное взаимодействие передается мгновенно на любое расстояние. Это означает, что если бы Солнце исчезло, Земля бы сошла со своей орбиты в тот же миг. Согласно ОТО, любые изменения в гравитационном поле (гравитационные волны) распространяются с конечной скоростью — скоростью света. Это фундаментальное различие делает невозможным использование ньютоновской модели для описания динамических процессов во Вселенной, таких как слияние черных дыр или эволюция самой Вселенной.

3. Космологические парадоксы.
Применение теории тяготения Ньютона к бесконечной, однородно заполненной веществом Вселенной приводит к неразрешимым парадоксам:

• Гравитационный парадокс (парадокс Неймана-Зелигера): В бесконечной Вселенной с равномерно распределенной массой сила тяготения, действующая на любое тело, оказывается бесконечной или неопределенной.
• Фотометрический парадокс (парадокс Ольберса): Если Вселенная бесконечна, статична и равномерно заполнена звездами, то ночное небо должно быть сплошь ярким, как поверхность Солнца, а не темным.

Эти парадоксы решаются в рамках модели расширяющейся Вселенной, основанной на ОТО. Расширение пространства приводит к красному смещению света от далеких галактик, уменьшая их энергию и яркость, а конечное время существования Вселенной (около 13.8 млрд лет) означает, что свет от самых далеких объектов до нас еще не дошел.

4. Описание эволюции Вселенной.
Классическая механика предполагает, что пространство абсолютно, неизменно и имеет евклидову геометрию. Однако наблюдения показывают, что наша Вселенная не статична — она расширяется после Большого Взрыва. Именно ОТО позволяет описать саму ткань пространства-времени как динамическую сущность, которая может растягиваться, сжиматься и искривляться. Без этого невозможно построить современную космологическую модель, объясняющую расширение Хаббла, реликтовое излучение и формирование крупномасштабной структуры Вселенной.

Ответ: Классическая механика и теория тяготения Ньютона неприменимы для описания строения и эволюции Вселенной, так как они являются приближенными теориями, работающими только для слабых гравитационных полей и малых скоростей. Вселенная же характеризуется экстремальными условиями: наличием объектов с огромной массой (черные дыры), движением галактик со скоростями, близкими к скорости света, и самим фактом расширения пространства-времени. Эти явления, а также связанные с ними космологические парадоксы, корректно описываются только более общей и фундаментальной теорией — Общей теорией относительности Эйнштейна, которая рассматривает гравитацию как искривление динамического пространства-времени.