Текст книги "Концепции современного естествознания"

Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики нужны, и Солнце не только обеспечивает нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик служат фабриками по производству основного строительного материала Вселенной – водорода.

Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, – самый простой «кирпич», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.

Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды производят углерод – главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для поддержания жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним.

Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной – значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, в то же время не отрываясь от реальности нашего бытия.

Вопрос об образовании и строении галактик – следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной – едином целом, но также и космогония (от греч. рождение) – область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).

Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.

Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.

Ближайшая к нашей галактика (которую световой луч достигает за 2 млн лет) – «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 г. Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.

А в 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью, в сотни раз большей светимости галактик, и размерами, в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и, стало быть, процесс образования галактик продолжается и поныне.

Итак, современная космология утверждает, что Вселенная в своем развитии прошла три основных этапа. Они представлены в следующей схеме (рис. 2).

Рис. 2. Эволюция Вселенной

1. На чем основывается модель расширяющейся Вселенной?

2. Что такое однородность и изотропность Вселенной?

3. Что такое «красное смещение»?

4. В чем различие понятий: Вселенная, бытие, космос, универсум?

5. Что такое точка сингулярности?

6. Что такое реликтовое излучение?

1. Сингулярность – это:

а) «черная дыра»;

б) сверхплотная материя;

в) начальное состояние Вселенной, характеризующееся бесконечной плотностью массы и бесконечной кривизной;

г) Большой взрыв.

2. «Красное смещение» – это:

а) понижение частот электромагнитного излучения, идущего от звезд;

б) излучение красных гигантов;

в) изменение излучения, идущего от ядер галактик;

г) особое излучение самых дальних звезд.

3. Принцип нестационарности Вселенной следует из:

а) движения планет и звезд;

б) расширения Вселенной;

в) искривленности пространства;

г) гипотезы о ее рождении.

4. Экспериментальное подтверждение модели Большого взрыва и расширения Вселенной:

а) «красное смещение»;

б) реликтовое излучение;

в) эволюция звезд;

г) точка сингулярности.

1. Вейнберг С. Первые три минуты. М., 1981.

2. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М., 1988.

3. Хойл Ф. Галактики, ядра и квазары. М., 1968.

Глава 8
СОВРЕМЕННАЯ АСТРОФИЗИКА

Звезды изучает астрономия (от греч. астрон – звезда и номос – закон) – наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта классическая наука переживает в XX в. свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники наблюдений – основного своего метода исследований: телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т. п. В СССр в 1974 г. в Ставропольском крае вступил в действие рефлектор с диаметром зеркала 6 м, собирающий света в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.

В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.

Особое значение приобретает в настоящее время астрофизика – часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается главным образом на наблюдениях. Но во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах, отличаются от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т. д.). Благодаря этому астрофизические исследования приводят к открытию новых физических закономерностей.

Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной – состояние вещества и физические процессы, идущие на разных, включая наиболее ранние, стадиях расширения Вселенной.

Один из основных методов астрофизики – спектральный анализ. Если пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому – непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый – наиболее отклоняемыми. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.

К сожалению, коротковолновые излучения – ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи – не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени рассматривалась как прежде всего техническая, – космонавтика (от греч. наутике – искусство кораблевождения), обеспечивающая освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов.

Космонавтика изучает проблемы: теории космических полетов – расчеты траекторий и т. д.; научно-технические – конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружений, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организация и снабжение орбитальных станций и др.; медико-биологические – создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.

История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К.Э. Циолковский в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 г. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 г.

Основными вехами в истории космонавтики стали: запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 г., первый полет человека в космос 12 апреля 1961 г., лунная экспедиция в 1969 г., создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования.

Работы велись параллельно в СССР и США, но в последние годы наметилось объединение усилий в области исследования космического пространства. В 1995 г. осуществлен совместный проект «Мир» – «Шаттл», в котором американские корабли «Шаттл» использовались для доставки космонавтов на российскую орбитальную станцию «Мир».

Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, задерживаемое атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики.

Существуют две основные концепции происхождения небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования Солнечной системы, выдвинутой в XVIII в. французским физиком и математиком П. Лапласом и развитой немецким философом И. Кантом. В соответствии с нею звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности.

Принятие модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло и на модели образования небесных тел и привело к гипотезе В. Амбар-цумяна о возникновении галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного дозвездного вещества (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц – гиперонов), находящегося в ядрах галактик, путем его фрагментации.

Открытие В.В. Амбарцумяном звездных ассоциаций, состоящих из очень молодых звезд, стремящихся «убежать» друг от друга, было понято как подтверждение гипотезы образования звезд из первоначального сверхплотного вещества. Какая из двух концепций ближе к истине, решит последующее развитие естествознания.

Модель расширяющейся Вселенной встретилась с несколькими трудностями обоснования, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения и скорость их должна падать. Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения родилась в 1939 г. гипотеза о наличии во Вселенной невидимых «черных дыр», которые хранят ⁹/10 массы Вселенной (т. е. столько, сколько недостает).

Что представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает и, стало быть, ее невозможно обнаружить. В «черной дыре» пространство искривляется, а время замедляется. Если сжатие продолжается дальше, то на каком-то его этапе начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру». Предположено, что «черные дыры» находятся в ядрах галактик, являясь сверхмощным источником энергии.

Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звезды, и неиспускающие – планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности – нейтрино.

Звезды – это «фабрики» по производству химических элементов и источники света и жизни. Тем самым решается сразу несколько задач. Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр, – переменные звезды (Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн лет. Возможно, из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование туманностей (скоплений газов).

Существуют очень крупные звезды – красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет ¹/5оооо от солнечного (10–20 км); они называются так, потому что состоят из огромного сгустка нейтронов.

В 1967 г. были открыты пульсары – космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов – 0,03-4 с, у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд.

К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия).

Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы и рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс.

В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в «белого карлика» – звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру (от 7 тыс. до 30 тыс. градусов) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца.

Предполагается, что одна из стадий эволюции нейтронных звезд – образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.

Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т. е. образуется «черная дыра», переходящая затем в «белую дыру».

Процесс эволюции звезд представлен на рис. 3.

Солнце – плазменный шар (плотность – 1,4 г/см³), с температурой поверхности 6 тыс. градусов, в атмосфере которого (короне) происходят вспышки – протуберанцы. Излучение Солнца – солнечная активность имеет цикл 11 лет.

Источником солнечной энергии служат термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Первым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел А. Эддингтон. Немецкий физик Г. Бете (Нобелевская премия 1967 г.) рассчитал реакции термоядерного синтеза гелия из водорода на Солнце, но прямых подтверждений пока нет, так как отсутствуют данные о внутреннем строении Солнца.

Скорость движения Солнца вокруг оси галактики – 250 км/с. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн лет. Ближайшие к Солнцу звезды – α-Центавра и Сириус.

Возраст Солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5 млрд лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконденсировались из космического облака, расположенного в окрестностях Солнца. Предполагается, что частицы состояли из железа с примесью никеля либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Газы тоже присутствовали и конденсировались, образуя органические соединения, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды и соединения азота.

Из гипотез происхождения солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом. Х. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в «ловушки» из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.

Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов – дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов – водорода и гелия, а более отдаленные – из железа и никеля. Наблюдения говорят об обратном.

Чтобы преодолеть эту трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.

Известна также гипотеза образования планет Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная советским ученым О.Ю. Шмидтом.

Солнечная система состоит из девяти планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости (за исключением Плутона) по почти круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли 149 млн км, что составляет 107 его диаметров.

Малые планеты, как и большинство спутников планет, не имеют атмосферы, так как сила тяготения на их поверхности недостаточна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладает углекислый газ, в атмосфере Юпитера – аммиак. На Луне и Марсе имеются кратеры вулканического происхождения.

1. Почему светят звезды?

2. Какие процессы происходят в недрах звезд?

3. Чем красные гиганты отличаются от обычных звезд?

4. Каковы основные концепции происхождения звездных систем?

5. Каковы основные концепции происхождения Солнечной системы?

6. Чем отличаются космология, космогония, астрономия, астрофизика, космонавтика?

1. Что рождается в недрах галактик?

а) свет;

б) тепло;

в) водород;

г) углерод.

2. Что такое «черные дыры»?

а) места выделения энергии;

б) места поглощения энергии;

в) пустоты в космосе;

г) образования с неизвестными свойствами.

3. Что служит строительным материалом в создании космических тел во Вселенной?

а) кварки;

б) элементарные частицы;

в) атомы кислорода;

г) газопылевые туманности.

4. Почему светит Солнце?

а) потому что на Солнце бывают пожары;

б) потому что на Солнце происходят химические реакции;

в) потому что на Солнце тепло;

г) потому что на Солнце происходят реакции термоядерного синтеза.

1. Ходж П. Революция в астрономии. М., 1972.

2. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М., 1976.

3. Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. М., 1975.

Глава 9
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Земля, как и другие планеты Солнечной системы, образовалась из газопылевого облака, окружавшего Солнце, примерно через 0,5 млрд лет после образования Солнца.

Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса 6²¹ тонн. Плотность 5,5 г/см³. Скорость вращения вокруг Солнца 30 км/с.

Земля состоит из земной коры протяженностью 10–80 км, мантии и ядра. В атмосфере Земли, вес которой 5 300 000 млрд тонн, преобладает азот и кислород. Атмосферу разделяют на тропосферу (до 9-17 км) – «фабрику погоды», стратосферу (до 55 км) – «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.

Наука, изучающая строение и эволюцию Земли, называется геологией (от греч. «геос» – земной шар). Эта наука возникла в XVIII в., хотя данные о поверхности Земли и ее изменениях известны еще древнему миру.

В XIX в. в геологии сформировались две концепции развития Земли: посредством скачков («теория катастроф» Ж. Кювье); посредством небольших постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Ч. Лайелля).

Успехи физики XX в. способствовали существенному продвижению в познании истории Земли. В 1908 г. ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи – атом – имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается. В следующем, 1909 г. русский ученый В.И. Вернадский основывает геохимию – науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции.

В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.

Геология ХХ в. еще дальше продвинула представления об эволюции земного шара по мере получения новых данных о более древних пластах земной коры и более древних временах. Главный вывод об эволюции Земли соответствует тем результатам, к которым пришли в ХХ в. другие отрасли естествознания.

Горные породы, составляющие земную кору, делятся на осадочные – образовавшиеся в результате накопления осадков на дне водоемов, магматические – образовавшиеся в результате отвердевания расплавленных пород мантии, и метаморфические, представляющие собой вторично расплавленные и затвердевшие осадочные и магматические породы. Примерами этих типов пород соответственно будут известняк, гранит, мрамор.

Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была зеленым континентом. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после Великого оледенения.

Современная геология выделяет в эволюции Земли три начальных этапа, которые занимают ⁷/₈ всей геологической истории (одно из названий этого периода – докембрий).

Первый из этих этапов – этап формирования нашей планеты, который занял промежуток от 3,9 до 4,5 млрд лет. Его можно назвать этапом возникновения Земли. В этот период возникли первичные гидросфера, атмосфера и литосфера. Земная атмосфера появилась в процессе вулканической деятельности, а водяные пары конденсировались в океане. Возраст земной коры – 3,9 млрд лет. Границей этого этапа может служить появление живых организмов.

Второй этап – этап формирования современного лика Земли и появления первых живых организмов вплоть до фо-тосинтезирующих. Он занимает время приблизительно от 3,8 до 2,0 млрд лет. Этот этап можно назвать этапом возникновения жизни на Земле. Его граница – фотосинтез. Резкое изменение состава атмосферы, превращение ее в кислородную произошло примерно 2 млрд лет назад и связано с эволюцией жизни.

Третий этап характеризуется широким распространением жизни на Земле. Этот этап продолжался от 2 млрд лет до периода, названного кембрием (около 570 млн лет назад). На этом этапе возникали континенты, от него дошли ледниковые отложения. В атмосфере появляется свободный кислород. Это этап возникновения современной биосферы.

Три последующих этапа «явной жизни» (так называемый фанерозой – от греч. явный, жизнь) делятся соответственно на палеозой («древняя жизнь»), продолжавшийся 340 млн лет, мезозой («средняя жизнь»), продолжавшийся примерно 160 млн лет, и кайнозой («новая жизнь») продолжительностью примерно 70 млн лет. Здесь речь идет скорее о биологической эволюции, о которой подробнее будем говорить ниже.

В палеозое, особенно в каменноугольном периоде, накапливались огромные запасы углей, которые обеспечили энергией промышленную революцию XVIII в. и служат до сих пор энергетической базой человечества.

В мезозое возникли огромные травоядные ящеры и питающиеся ими хищные динозавры. Их массовая и безвозвратная гибель примерно 65 млн лет назад, а также гибель обильной растительности, существовавшей в то время, – древовидных папоротников, плаунов и хвощей – знаменовала переход в кайнозою, в котором расцвели млекопитающие и другие дошедшие до наших дней виды жизни.

Наконец, последний период развития Земли в несколько миллионов лет связан с появлением человека и называется антропогеном (от греч. – породивший человека).