Студент бакалавриата
  1. Классическая механика  1.1. динамика  1.1.1. Движение в одном измерении  1.1.2. Движение в двух измерениях  1.1.3. движение снаряда  1.1.4. Относительная скорость  1.1.5. Равномерное круговое движение  1.1.6. Неравномерное круговое движение  1.1.7. Системы отсчета и преобразования  1.2. Законы движения Ньютона  1.2.1. Первый закон движения  1.2.2. Second law of motion  1.2.3. Third Law of Motion  1.2.4. Применение законов Ньютона  1.2.5. Трение и его виды  1.2.6. Диаграмма свободного тела  1.2.7. Ограничения и псевдо-силы  1.3. Work and Energy  1.3.1. работа, проделанная силой  1.3.2. Теорема о работе и энергии  1.3.3. Кинетическая энергия  1.3.4. Потенциальная энергия в классической механике  1.3.5. Консервативные и неконсервативные силы  1.3.6. Сохранение энергии  1.3.7. Мощность и КПД  1.4. Скорость и столкновения  1.4.1. Линейный импульс  1.4.2. Закон сохранения импульса  1.4.3. Impulse and impact force  1.4.4. Упругие и неупругие столкновения  1.4.5. Центр масс и скорость  1.4.6. Rocket Propulsion  1.5. Вращательное движение  1.5.1. Крутящий момент и угловой момент  1.5.2. Момент инерции  1.5.3. Кинематика вращения  1.5.4. Вращательная энергия  1.5.5. Rolling Motion  1.5.6. Precession and gyroscopic motion  1.6. Gravitational force  1.6.1. Закон всемирного тяготения Ньютона  1.6.2. Гравитационная потенциальная энергия  1.6.3. Orbital mechanics  1.6.4. Kepler's laws of planetary motion  1.6.5. Гравитационное поле и потенциал  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Давление и принцип Паскаля  1.7.2. Плавучесть и принцип Архимеда  1.7.3. Динамика жидкостей и принцип Бернулли  1.7.4. Вязкость и закон Пуазейля  1.7.5. Поверхностное натяжение и капиллярность  1.8. Колебания и волны  1.8.1. Простое Гармоническое Движение  1.8.2. Затухающие и вынужденные колебания  1.8.3. Связанные колебания и нормальные режимы  1.8.4. Wave properties and types  1.8.5. Звуковые волны и эффект Доплера  1.8.6. Интерференция волн и суперпозиция
  2. Электромагнетизм  2.1. Электростатика  2.1.1. Electric charge and properties  2.1.2. Coulomb's law  2.1.3. Электрическое поле и электрический потенциал  2.1.4. Закон Гаусса  2.1.5. Capacitance and Dielectric  2.1.6. Электрический диполь и потенциальная энергия  2.2. Electric circuits  2.2.1. Ток и сопротивление  2.2.2. Закон Ома  2.2.3. Kirchhoff's Laws  2.2.4. RC цепь  2.2.5. AC Circuits and Reactance  2.2.6. Электрическая мощность и энергия  2.3. Магнетизм  2.3.1. Магнитные поля и силы  2.3.2. Закон Ампера  2.3.3. Magnetic dipole moment  2.3.4. Закон Био-Савара  2.3.5. Magnetic Materials and Hysteresis  2.4. Электромагнитная индукция  2.4.1. Закон Фарадея  2.4.2. Lenz's law  2.4.3. Самоиндукция и взаимная индукция  2.4.4. Трансформаторы и индуктивные цепи  2.5. Уравнения Максвелла  2.5.1. Закон Гаусса для электричества  2.5.2. Закон Гаусса для магнетизма  2.5.3. Закон индукции Фарадея  2.5.4. Ampere-Maxwell law  2.5.5. Electromagnetic waves
  3. Термодинамика  3.1. Laws of Thermodynamics  3.1.1. Нулевой закон термодинамики  3.1.2. Первый закон термодинамики  3.1.3. Второй закон  3.1.4. Третий закон  3.2. Тепло и работа  3.2.1. Теплопередача (кондукция, конвекция, излучение)  3.2.2. Термическое расширение  3.2.3. Тепловые двигатели и холодильники  3.2.4. Цикл Карно и эффективность  3.3. Статистическая механика  3.3.1. Распределение Максвелла–Больцмана  3.3.2. Энтропия и Вероятность  3.3.3. Функция распределения  3.3.4. Статистика Ферми–Дирака и Бозе–Эйнштейна
  4. Оптика  4.1. Геометрическая оптика  4.1.1. Отражение и преломление  4.1.2. Mirrors and lenses  4.1.3. Optical Instruments  4.1.4. Fermat's principle  4.2. Оптика волн  4.2.1. Интерференция в волновой оптике  4.2.2. Дифракция  4.2.3. Поляризация  4.2.4. Когерентность и голография
  5. Квантовая механика  5.1. Дуализм волна-частица  5.1.1. Излучение абсолютно черного тела в дуализме волны-частицы в квантовой механике  5.1.2. Фотоэлектрический эффект  5.1.3. Комптоновское рассеяние  5.1.4. Длина волны де Бройля  5.2. Уравнение Шрёдингера  5.2.1. Стационарное уравнение Шрёдингера  5.2.2. Частица в ящике  5.2.3. Quantum Tunneling  5.2.4. Потенциальные ямы и барьеры  5.3. Квантовые состояния  5.3.1. Функция волны  5.3.2. Quantum operators  5.3.3. Принцип неопределённости Гейзенберга  5.3.4. Угловой момент и спин
  6. Относительность  6.1. Special relativity  6.1.1. Преобразования Лоренца  6.1.2. Временное расширение и сокращение длины  6.1.3. Релятивистская энергия и импульс  6.2. Общая теория относительности  6.2.1. Принцип Эквивалентности  6.2.2. Метрика Шварцшильда  6.2.3. Гравитационные волны  6.2.4. Чёрные дыры и горизонты событий
  7. Физика твердого тела  7.1. Кристаллическая структура  7.1.1. Решетки Бравэ  7.1.2. Рентгеновская дифракция  7.1.3. Band theory  7.1.4. Фононы и колебания решетки  7.2. Electrical and Magnetic Properties  7.2.1. Conductors, Semiconductors and Insulators  7.2.2. Сверхпроводимость  7.2.3. Эффект Холла
  8. Ядерная и частичная физика  8.1. Atomic Structure  8.1.1. Атомная модель  8.1.2. Энергия связи ядра  8.2. Радиоактивность  8.2.1. Alpha, beta, gamma decay  8.2.2. Период полураспада  8.2.3. Ядерное деление и слияние  8.3. Particle physics  8.3.1. Standard Model  8.3.2. Кварки и лептоны  8.3.3. антиматерия  8.3.4. Фундаментальные взаимодействия
  9. Астрофизика и космология  9.1. Эволюция звезд  9.1.1. Звездообразование  9.1.2. Чёрные дыры и нейтронные звёзды  9.1.3. Белые карлики и сверхновые  9.2. Космология  9.2.1. Теория Большого взрыва  9.2.2. Dark matter and dark energy  9.2.3. Космическое микроволновое фоновое излучение

Студент бакалавриата ↓


Астрофизика и космология


Астрофизика и космология — это области физики, которые исследуют необъятную вселенную за пределами нашей планеты Земля. Это включает в себя понимание звезд, галактик, черных дыр, начала вселенной и многого другого. В этом уроке мы будем подробно обсуждать эти темы, разъясняя их в понятных концепциях.

Что такое астрофизика?

Астрофизика — это раздел астрономии, изучающий физику вселенной. Он включает физические свойства небесных объектов и процессы, которые их контролируют. Астрофизика рассматривает жизненный цикл звезд, образование планет и поведение материи в экстремальных условиях, таких как черные дыры и нейтронные звезды.

Понимание звезд

Звезды — это массивные небесные тела, состоящие в основном из водорода и гелия и производящие свет и тепло за счет ядерного синтеза, происходящего в их ядрах. Жизнь звезды можно грубо описать как цикл.

Звезды начинают свое существование как облака пыли и газа. Когда эти облака коллапсируют под воздействием своей гравитации, они формируют протозвезду. Если эта протозвезда набирает достаточную массу, начинается ядерный синтез. Это когда атомы водорода объединяются, чтобы образовать гелий, высвобождая энергию в виде света и тепла.

Вот упрощенная иллюстрация структуры протозвезды:

Производимая энергия противодействует силе гравитации, заставляя звезду стать стабильной. В конечном итоге звезда исчерпает свой ядерный топливо, что приведет к ее смерти. В зависимости от размера звезды она может стать белым карликом, нейтронной звездой или даже коллапсировать в черную дыру.

Жизненный цикл звезд

Жизненный цикл звезд состоит из различных фаз, и каждая фаза длится миллионы или миллиарды лет:

  • Главная последовательность: Большинство звезд, включая наше Солнце, остаются на этом самом продолжительном этапе, где они превращают водород в гелий.
  • Красные гиганты или сверхгиганты: После исчерпания водорода звезды расширяются и остывают, становясь красными гигантами или сверхгигантами.
  • Последний этап: Маленькие звезды сбрасывают свои внешние слои, чтобы стать белыми карликами. Массовые звезды взрываются как сверхновые, потенциально порождая черные дыры или нейтронные звезды.

Физика звезд

Звезды — это замечательные физические системы, в которых происходят различные физические процессы. Давайте обсудим два важных процесса: ядерный синтез и гравитационное равновесие.

Ядерный синтез: Экстремальная температура и давление в центре звезды вызывают, что ядра водорода сталкиваются и сливаются, чтобы образовать гелий. Это иллюстрируется следующим образом:

4 H -> He + Energy

Этот процесс освобождает огромные количества энергии, которая удерживает звезду живой в течение миллионов лет.

Гравитационное равновесие: Также известное как гидростатическое равновесие, оно представляет собой баланс между внутренним притяжением силы гравитации и внешним давлением ядерного синтеза. Это необходимо для стабильности звезды. Давление от синтеза в ядре должно противостоять гравитационным силам, пытающимся сжать его.

Что такое космология?

Космология — это изучение всей вселенной. Она пытается понять происхождение, эволюцию, структуру и конечную судьбу вселенной. Космологи исследуют вопросы, такие как: как вселенная началась, почему она выглядит так, как она выглядит, и что с ней будет в будущем.

Теория Большого взрыва

Самая известная теория в космологии — это теория Большого взрыва. Она предлагает, что вселенная началась как крайне горячее и плотное состояние около 13,8 миллиарда лет назад и с тех пор расширяется.

Чтобы понять эту концепцию, подумайте о вселенной как о надувном шаре. Когда вы накачиваете его воздухом, шар (вселенная) расширяется. Галактики внутри шара удаляются друг от друга, как точки на поверхности шара, когда он надувается.

По мере расширения вселенной расстояние между галактиками увеличивается, но сами галактики остаются нетронутыми. Это объясняет красное смещение, наблюдаемое в свете от дальних галактик, явление, поддерживающее расширение вселенной.

Темная материя и темная энергия

Во вселенной есть две загадочные вещи: темная материя и темная энергия. Вместе они составляют около 95% общей массы-энергетической части вселенной.

Темная материя: Хотя ее нельзя увидеть напрямую с помощью телескопов, темная материя оказывает гравитационное воздействие. Она помогает удерживать галактики вместе и влияет на их вращение. В отличие от обычной материи, темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет.

Темная энергия: Это сила, которая, как предполагается, отвечает за ускоряющееся расширение вселенной. В отличие от темной материи, которая действует на большом масштабе внутри галактик, темная энергия действует на космическом масштабе, влияя на всю вселенную.

Ключевые наблюдения в космологии

  • Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФ): Это излучение, оставшееся после Большого взрыва, предоставляя снимок новорожденной вселенной около 380,000 лет после ее начала.
  • Красное смещение галактик: Наблюдаемое красное смещение света от удаленных галактик является важным доказательством теории расширяющейся вселенной. Чем больше смещение, тем быстрее галактика удаляется.
  • Распределение галактик: Большая структура вселенной выстраивает галактики в огромные нити и кластеры, разделенные пустотами. Это распределение отражает влияние как темной материи, так и темной энергии.

Взаимосвязь астрофизики и космологии

Астрофизика и космология тесно связаны, поскольку понимание различных астрономических явлений помогает нам понять эволюцию и структуру вселенной. Например, изучая образование звезд и сверхновых, мы узнаем о создании и расселении элементов. Эти знания важны для космологических моделей, которые предсказывают, как вселенная эволюционирует со временем.

Важные концепции и их взаимосвязи

  • Нуклеосинтез в звездах и Большой взрыв: В то время как нуклеосинтез Большого взрыва произвел только более легкие элементы (водород, гелий и небольшие количества других), звезды производят более тяжелые элементы за счет ядерного синтеза. Понимание этих процессов помогает описать химический состав вселенной.
  • Черные дыры и судьба вселенной: Черные дыры, которые возникают в конце жизненного цикла массивных звезд, помогают нам задуматься о судьбе вселенной из-за их способности искажать пространство-время и потенциально накапливать массу.

Формулы и модели, используемые в астрофизике и космологии

Различные математические модели и уравнения используются для описания и прогнозирования астрофизических и космологических явлений:

Для звездной динамики важны законы движения Ньютона и закон всемирного тяготения:

F = G * (m1 * m2) / r^2

Где F — гравитационная сила, G — гравитационная постоянная, m1 и m2 — массы, и r — расстояние между ними.

В космологии уравнения Фридмана описывают расширение вселенной:

(dot{a}/a)^2 = 8πGρ/3 - kc^2/a^2 + Λc^2/3

где a — масштабный фактор, ρ — плотность материи, k — константа кривизны, Λ — космологическая постоянная, и c — скорость света.

Заключение

Астрофизика и космология вместе помогают нам понять огромное масштаб и тайны вселенной. Эти науки позволяет нам проследить историю вселенной, от рождения звезд до вселенной, которую мы видим сегодня, обучая нас о фундаментальных силах и элементах, которые формируют все вокруг нас. Изучая эти области, мы получаем знания, необходимые не только для научного любопытства, но и для понимания нашего собственного места в необъятном пространстве вселенной.


Студент бакалавриата → 9


U
username
0%
завершено в Студент бакалавриата

← Предыдущий (8.3.4)
Фундаментальные взаимодействия
Следующий (9.1) →
Эволюция звезд

Комментарии 



Астрофизика и космология

https://www.physicsflow.com/ug/9?pfal=ru