Номер 8, страница 44, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 1. Физика и мир, в котором мы живём. Параграф 10. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 8, страница 44.

Условие.

• Четыре измерения. Современные теории и представления.

Решение.

Как расширялись границы макромира.

Расширение границ макромира — это история развития человеческих представлений о Вселенной, от ограниченного мира, центром которого была Земля, до современной концепции безграничной и расширяющейся Вселенной. Этот процесс можно разделить на несколько ключевых этапов.

1. Античность и Средневековье: Геоцентрическая модель. В древности большинство культур представляли Землю плоской и покрытой небесным куполом. Древнегреческие философы, такие как Аристотель и Птолемей, разработали более сложную геоцентрическую систему мира. В этой модели шарообразная Земля находилась в центре Вселенной, а вокруг нее по сложным орбитам (эпициклам) вращались Луна, Солнце, планеты и звезды, закрепленные на хрустальных сферах. Границы макромира в этом представлении были четко очерчены последней сферой неподвижных звезд.

2. Эпоха Возрождения: Коперниканская революция. В XVI веке Николай Коперник предложил гелиоцентрическую модель, поместив в центр мира Солнце, а не Землю. Это был революционный сдвиг, который отодвинул границы известного мира. Изобретение телескопа в начале XVII века и наблюдения Галилео Галилея (фазы Венеры, спутники Юпитера) предоставили веские доказательства в пользу модели Коперника. Иоганн Кеплер, в свою очередь, открыл законы движения планет, описав их орбиты как эллипсы. Макромир расширился до размеров Солнечной системы, управляемой едиными законами.

3. Новое время: Вселенная Ньютона и открытие галактик. В конце XVII века Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, который объяснил и движение планет, и падение яблока на Землю. Это показало, что небесные и земные законы физики едины. Вселенная стала представляться как бесконечное пространство, заполненное звездами, удерживаемыми гравитацией. В XVIII-XIX веках астрономы, в частности Уильям Гершель, начали составлять карты звездного неба и пришли к выводу, что наша Солнечная система является частью огромного скопления звезд — Млечного Пути.

4. XX век: Открытие других галактик и расширяющейся Вселенной. В начале XX века шли споры о природе "спиральных туманностей". В 1920-х годах Эдвин Хаббл, используя самый мощный на тот момент телескоп, доказал, что туманность Андромеды — это не облако газа в нашей Галактике, а самостоятельная, огромная звездная система (галактика), находящаяся на колоссальном расстоянии от нас. Это открытие одномоментно "раздвинуло" границы Вселенной в миллионы раз. Вскоре Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, причем чем дальше галактика, тем выше скорость ее удаления (закон Хаббла). Это привело к созданию теории расширяющейся Вселенной и модели Большого Взрыва.

5. Современный этап: Крупномасштабная структура и темная сторона Вселенной. Современная космология изучает Вселенную на самых больших масштабах. Было открыто, что галактики образуют гигантские структуры: скопления, сверхскопления, нити (филаменты) и огромные пустоты (войды), формируя "космическую паутину". Кроме того, выяснилось, что видимое вещество (звезды, газ, пыль) составляет лишь около 5% всей массы-энергии Вселенной. Остальное приходится на гипотетические темную материю (около 27%), которая удерживает галактики от разлетания, и темную энергию (около 68%), которая отвечает за ускоренное расширение Вселенной. Границы нашего познания расширились до понимания, что большая часть Вселенной нам пока неизвестна и невидима.

Ответ: Границы макромира расширялись поэтапно: от геоцентрической модели с Землей в центре (Античность) к гелиоцентрической Солнечной системе (Коперник, Галилей), затем к осознанию нашей Галактики как одной из множества (Хаббл) и, наконец, к современной модели расширяющейся Вселенной с ее крупномасштабной структурой, темной материей и темной энергией.

Четыре измерения. Современные теории и представления.

Концепция четырех измерений является фундаментальной для современной физики и описывает Вселенную как единое четырехмерное пространство-время. Это представление кардинально отличается от классического взгляда на мир.

Классическое представление: 3+1. В классической ньютоновской физике пространство и время рассматривались как отдельные, независимые сущности. Пространство было трехмерным эвклидовым вместилищем (длина, ширина, высота), а время — абсолютной величиной, текущей одинаково для всех наблюдателей во Вселенной. Любое событие можно было описать тремя пространственными координатами и одной временной.

Специальная теория относительности (СТО): Объединение пространства и времени. В 1905 году Альберт Эйнштейн создал СТО, которая базировалась на двух постулатах: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, и скорость света в вакууме постоянна для всех наблюдателей. Из этих постулатов следовали парадоксальные выводы: замедление времени и сокращение длины для движущихся объектов. Математик Герман Минковский в 1908 году показал, что эти эффекты можно элегантно описать, если рассматривать пространство и время не как отдельные сущности, а как единый четырехмерный континуум — пространство-время. Каждое событие в этом континууме характеризуется четырьмя координатами: тремя пространственными ($x, y, z$) и одной временной ($\text{t}$).

Ключевым понятием в этой модели является пространственно-временной интервал ($\text{s}$) между двумя событиями. В отличие от расстояния в пространстве или промежутка времени, которые зависят от наблюдателя, интервал является инвариантом, то есть его значение одинаково для всех. Он вычисляется по формуле:$s^2 = (c\Delta t)^2 - (\Delta x)^2 - (\Delta y)^2 - (\Delta z)^2$где $\text{c}$ — скорость света, $\Delta t$ — временной промежуток, а $\Delta x, \Delta y, \Delta z$ — пространственные расстояния между событиями. Знак минус перед пространственными координатами подчеркивает отличие геометрии пространства-времени (псевдоевклидовой) от обычной эвклидовой геометрии.

Общая теория относительности (ОТО): Искривленное пространство-время. В ОТО, созданной Эйнштейном в 1915 году, четырехмерное пространство-время стало динамической структурой. Эйнштейн показал, что гравитация — это не сила, как у Ньютона, а проявление искривления пространства-времени под действием массы и энергии. Массивные тела "продавливают" ткань пространства-времени, а другие тела движутся по кратчайшим путям (геодезическим линиям) в этом искривленном пространстве. Эта теория предсказала и объяснила такие явления, как гравитационное линзирование, замедление времени вблизи массивных объектов (что учитывается в работе GPS-навигаторов) и гравитационные волны, которые были экспериментально обнаружены в 2015 году.

Современные теории: Больше четырех измерений? Некоторые современные теоретические концепции, пытающиеся объединить общую теорию относительности и квантовую механику (так называемая "теория всего"), предполагают существование дополнительных пространственных измерений. Например, в теории струн и М-теории пространство-время может иметь 10 или 11 измерений. Предполагается, что эти дополнительные измерения "свернуты" (компактифицированы) до микроскопических размеров, поэтому мы не можем их наблюдать в повседневной жизни.

Ответ: Четыре измерения — это фундаментальная концепция современной физики, объединяющая три пространственных измерения и одно временное в единый континуум "пространство-время". Эта идея легла в основу специальной и общей теорий относительности Эйнштейна, где гравитация описывается как искривление этого четырехмерного пространства-времени. Современные гипотетические теории, такие как теория струн, предполагают существование и большего числа измерений.