Краткий лекционный курс

Вид материала

Документы

Содержание Эволюция Вселенной Карл Саган Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы. Гипотеза О.Ю. Шмидта. В. Проблемы теории Большого Взрыва Белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры Звездная эволюция Макромир. Природа. Земля. Человек. Ноосфера Живое вещество Микромир. Энергия. Материалы. Живое вещество

Подобный материал:

• Лекционный курс в 6-7 семестрах для специальности 510200 Лекция, 83.97kb.
• Краткий лекционный курс культурология как гуманитарная, 2226.78kb.
• Лекционный курс по философии на ф-те вмиК 2003/4 Лектор, 522.56kb.
• Программа курса. Курс «Введение в историю мировых цивилизаций» обязательный (лекционный), 212.88kb.
• Краткий курс под редакцией комиссии ЦК вкп(б) одобрен ЦК вкп(б). 1938 год, 5084.19kb.
• Краткий курс лекций, 182.24kb.
• «Бухгалтерский учет, анализ и аудит», 97.78kb.
• Н. В. Рудаков Краткий курс лекций, 1552.23kb.
• Краткий курс Москва 2002 Войтов А. Г. История экономических учений. Краткий курс, переработанный., 2357.11kb.
• В. Б. Аксенов Краткий курс лекций, 1098.72kb.

Эволюция Вселенной

Вопрос о возникновении и развитии Вселенной был предметом научного поиска для многих поколений ученых. В истории науки существовало множество гипотез, отвечающих на этот вопрос. Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью концепции Большого взрыва, впервые предложенной известным физиком Г. Готовым в 1948 г. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде. Также нужно отметить, что для описания эволюции Вселенной были использованы метод глобального эволюционизма и концепция самоорганизации материи.

Исследуя проблему происхождения Вселенной, известный американский астроном Карл Саган построил образную модель ее эволюции, в которой космический год равен 15 млрд земных лет, а 1 секунда – 500 годам. В таком случае эволюция Вселенной будет выглядеть так:

Большой взрыв Образование галактик Образование Солнечной системы Образование Земли Возникновение жизни на Земле Океанский планктон Первые рыбы Первые динозавры Первые млекопитающие Первые птицы Первые приматы Первые гоминиды Первые люди

1 января 0 ч 0 мин 10 января 9 сентября 14 сентября 25 сентября 18 декабря 19 декабря 24 декабря 26 декабря 27 декабря 29 декабря 30 декабря 31 декабря в 22 часа 30 минут

Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы.

Гипотеза Канта-Лапласа. Кант предположил, что Солнечная система образовалась из космического облака, или «хаоса». Формируясь из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежными силами. Интересно, что Кант изложил эти идеи в трактате, посвященном доказательству бытия Божия. По мнению Канта «Бог вложил в силы природы тайное искусство самостоятельно развиваться из хаоса в совершенное мироздание». У Канта, таким образом, образование планет происходило из холодного газопылевого облака.

Идею Канта поддержал Лаплас. Эта гипотеза получила название небулярной (от лат nebula – туманность) гипотезы Канта Лапласа.).

Гипотеза Джинса. Гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить также и тот факт, что момент количества движения (кинетический момент) планет приблизительно в 29 раз больше момента количества движения Солнца, а это противоречит закону сохранения кинетического момента. Для разрешения этого противоречия появились так называемые «катастрофические гипотезы», к которым относится гипотеза Джинса. Согласно ей некая звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала мощные приливы на нем, принявшие форму газовых струй, из которых впоследствии образовались планеты. Из этой гипотезы следовал вывод об уникальности Солнечной системы.

Гипотеза О.Ю. Шмидта. Советский ученый О.Ю. Шмидт (1891-1956) предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, могло захватить материю, обладающую достаточным моментом количества движения. Расчеты Шмидта, в частности, показали, что начальный период обращения Солнца был очень большим, а затем должен был уменьшиться до 20 суток. В действительности он равен 25 суткам, и такое совпадение считается хорошим.

В настоящее время ученые склоняются к различным вариантам небулярной гипотезы. Получены интересные результаты на численных моделях с использованием мощных ЭВМ. Для Земли, например, предложена следующая схема (см. рис. 2).

На сегодняшний день общепринятой моделью в космологии является модель однородной (свойства одинаковы во всех точках), изотропной (свойства одинаковы во всех направлениях), горячей, расширяющейся Вселенной, другими словами – модель Большого Взрыва, скорость света в модели принята неизменной. В теоретический фундамент этой модели положена общая теория относительности и релятивистская теория гравитации (гравитация – тяготение, притяжение), созданные в период с 1905 по 1916 год лауреатом Нобелевской премии (1921), физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном (1879-1955). Именно эти теории и сегодня, спустя почти 100 лет, составляют ядро современной астрофизики, именно поэтому об А. Эйнштейне знает каждый культурный человек.

В. Проблемы теории Большого Взрыва

1. Что было до Большого Взрыва?

2. Возможно ли возвращение мира в исходное состояние?

Согласно современным концепциям, наука допускает создание Вселенной из пустоты. В теоретической физике ее называют физическим вакуумом (физический вакуум – энергетическое состояние квантового поля в атоме, например, между его ядром и электронными оболочками). Физический вакуум – особая непрерывная полевая форма существования материи, способная к рождению дискретных частиц (см., например, п. 2 календаря космических событий). Это допущение подтверждено в многочисленных экспериментах в физике элементарных частиц на ускорителях заряженных частиц. Космология и физика нашли здесь точки соприкосновения, что еще раз подтверждает единство Вселенной.

В 1963 году были открыты квазары (квазар – космический объект – источник радиоизлучения, который не является звездой) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной, излучающие в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики, имеющие очень малые размеры и интенсивно разбегающиеся. Было предположено, что квазары являются ядрами новых галактик и, следовательно, процесс формирования новых галактик продолжается и сегодня.

Космология как наука появилась в результате эволюции астрономии – древнейшей науки о строении и развитии космических тел, образуемых ими систем и Вселенной в целом. Сама астрономия возникла из практических потребностей человечества (предсказание сезонных явлений, счет времени, определение положения на поверхности Земли при навигации и т.п.).

БЕЛЫЕ КАРЛИКИ, НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ, ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ     Белые карлики - конечная стадия звездной эволюции после исчерпания термоядерных источников энергии звезд средней и малой массы. Они представляют собой очень плотные горячие звезды малых размеров из вырожденного газа. Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Масса белых карликов не может превышать некоторого значения - это так называемый предел Чандрасекара, равны примерно 1,4 массы Солнца.     Солнце в будущем - это белый карлик.     Грандиозное, но чрезвычайно редкое небесное явление, которое запечатлено во многих исторических летописях разных народов - это вспышка сверхновой звезды, которую иногда было видно даже днем.     Установлено, что в среднем в каждой галактике вспышка сверхновой происходит раз в несколько десятилетий. В максимуме своего блеска она может быть столь же яркой, как остальные сотни миллиардов звезд галактики вместе взятые.     Как впервые предположили в 30-е годы XX века Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная нейтронная звезда. Эта гипотеза подтвердилась после открытия в 60-х годах пульсара - быстровращающейся нейтронной звезды в центре Крабовидной туманности в созвездии Тельца; он возник на месте вспышки сверхновой 1054 года.     Нейтронная звезда - это конечное состояние эволюции звезд массой более десяти солнечных. Она представляет собой очень экзотический космический объект. Ее радиус - всего 10-20 км, а масса в 1,5-2 раза больше солнечной. Максимально возможная масса нейтронной звезды носит название предела Оппенгеймера-Волкова, который в любом случае не больше трех масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это предельное значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется черная дыра.     Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин "черная дыра" введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.     Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров.     Поскольку черные дыры не светят, то единственный путь судить о них - это наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.     Имеются косвенные доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца). Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры - это ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя - Лебедь Х-1.

далее...

ЗВЕЗДНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ
    Астрономы не могут наблюдать жизнь одной звезды от начала до конца, потому что даже самые короткоживущие звезды существуют миллионы лет - дольше жизни всего человечества. Изменение со временем физических характеристик и химического состава звезд, т.е. звездную эволюцию, астрономы изучают на основе сопоставления характеристик множества звезд, находящихся на разных стадиях эволюции.
    Физические закономерности, связывающие наблюдаемые характеристики звезд, отражаются на диаграмме цвет-светимость - диаграмме Герцшпрунга - Ресселла, на которой звезды образуют отдельные группировки - последовательности: главную последовательность звезд, последовательности сверхгигантов, ярких и слабых гигантов, субгигантов, субкарликов и белых карликов.

    Большую часть своей жизни любая звезда находится на так называемой главной последовательности диаграммы цвет-светимость. Все остальные стадии эволюции звезды до образования компактного остатка занимают не более 10% от этого времени. Именно поэтому большинство звезд, наблюдаемых в нашей Галактике, - скромные красные карлики с массой Солнца или меньше.
    Главная последовательность включает в себя около 90% всех наблюдаемых звезд.
    Срок жизни звезды и то, во что она превращается в конце жизненного пути, полностью определяется ее массой. Звезды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звезд - всего миллионы лет. Для подавляющего большинства звезд время жизни - около 15 млрд. лет. После того как звезда исчерпает свои источники энергии, она начинает остывать и сжиматься. Конечным продуктом эволюции звезд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звезд.
    Звезды разной массы приходят в итоге к одному из трех состояний: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Если масса звезды невелика, то силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика. Если масса превышает критическое значение, сжатие продолжается. При очень высокой плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтроны.

Вскоре уже почти вся звезда состоит из одних нейтронов и имеет такую громадную плотность, что огромная звездная масса сосредоточивается в очень небольшом шаре радиусом несколько километров и сжатие останавливается - образуется нейтронная звезда. Если же масса звезды будет настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса, то конечным этапом эволюции звезды будет черная дыра.


Макромир. Природа. Земля. Человек. Ноосфера


Познание на уровне макромира как бы выделяет из природы то окружение, которое находится в непосредственном контакте с человеком. Именно этот практический контакт с природой прежде всего определяет мировоззрение человека, его систему взглядов на мир и собственное место в мире. Для нормального человека мировоззрение выступает внутренним законом его жизни. Связь естествознания с мировоззрением человека сильна – естествознание не только формирует для индивида современную естественнонаучную картину мира, но и в качестве составляющей части культуры участвует в формировании личности человека путем сообщения ему основ современной научной методологии познания. Научное объяснение многих природных явлений позволило человеку не только избавиться от суеверного страха, но и во многом противостоять им. Например, катастрофические природные явления и процессы, такие как землетрясения, цунами, снежные лавины и др., приводящие к стихийным бедствиям, сегодня нашли научное объяснение, могут быть предсказаны с достаточно высокой степенью вероятности, их последствия могут быть частично смягчены с помощью решений, найденных современными науками, – гидрографией, сейсмологией, геофизикой, гидрогеологией, гляциологией и т.п.

В комплекс естественных наук макромира в первую очередь, входят науки о Природе Земли. Земля – третья от Солнца планета, вращающаяся вокруг своей оси с периодом вращения 23 ч. 56 мин. 4,1 с, и по эллиптической орбите вокруг Солнца с периодом обращения 365, 24 суток. Вращение вокруг своей оси приводит к смене дня и ночи, обращение вокруг Солнца – к смене времен года. В результате эволюции Земля приобрела определенную структуру: в центре находится ядро с радиусом около 1500 км, ядро окружено мантией, мантия покрыта земной корой со средним радиусом 6000 км (часть мантии вместе с земной корой составляет литосферу), в состав земной коры включают гидросферу – совокупность всех водных объектов Земли. Земля окружена атмосферой (атмосфера – газовая среда, состоящая, в основном, из азота и кислорода: 78,1% и 21% соответственно), вращающейся вместе с Землей. В составе Земли преобладают железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%). Внешняя часть ядра считается жидкой. Давление в ядре – 3,6 *10¹¹ Па, температура – 4000-5000 С°. Основные типы земной коры – материковый (29,2%) и океанический (70,8%). Средняя высота суши – 875 м (максимальная высота – 8848 м – гора Джомолунгма в Гималаях), средняя глубина океана – 3800 м, максимальная – 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Максимальная температура в тропиках (Ливия) – плюс 57,8° С, минимальная – минус 90° С в Антарктиде.

Биосфера создает условия для поддержания условий своего существования, так, например, образовались биогеоценозы – однородные участки земной поверхности с определенным составом живых и неживых (приземный слой атмосферы, солнечная активность, почва и т.д.) компонентов и динамическим взаимодействием между ними, что обусловило своеобразие видового состава живого в разных географических зонах Земли.

Живое вещество – особый тип материальных систем – совокупность живых организмов в биосфере Земли, способных к самовоспроизводству.

Природа в макромире в первую очередь предстает перед наблюдателем как естественная среда обитания человека. В подавляющем большинстве случаев взаимосвязь этой среды с мегамиром и тем более с микромиром человеком не воспринимается. Пренебрежение единым комплексом современных естественнонаучных знаний ведет к утилитарно-прагматическому отношению к природе, как к безмерной кладовой для удовлетворения человеческих потребностей и желаний. Подобное отношение, реализуемое в «преобразующей Природу» деятельности, привело к угрозе возникновения энергетической и экологической катастроф. Современное общество пытается изменить сложившуюся ситуацию. Основной концепцией общения с Природой становится концепция равноправного диалога – установление гармонии человека и природы.

В первую очередь эта концепция распространяется на природные ресурсы, добываемые из недр земной коры. Обеспечиваемая современной техникой массовая добыча полезных ископаемых (скважины, шахты, разрезы и т.п.) затрагивает слой земной коры толщиной до 2 км при среднем радиусе Земли 6000 км. Необходимые для жизнеобеспечения полезные ископаемые рассеяны в земной коре неравномерно. Ни одна страна мира не располагает всеми нужными видами сырья в достаточном количестве для их рентабельной добычи. Многие промышленно развитые страны импортируют сырье, например, США до 90% потребностей в алюминии удовлетворяет за счет импорта. Ресурсы Земли ограничены и быстро истощаются, что приводит к необходимости не только менять традиционные методы добычи, но и развивать новейшие химические технологии, во-первых, для замены дефицитного сырья, и, во-вторых, для создания безотходных производств.

Человек как высшая ступень живых организмов на Земле, к сожалению, не всегда выдерживает испытание на разумность. Активная деятельность человека постоянно нарушает равновесие биосферы Земли, подталкивая ее к экологическим катастрофам. Современный подход в природопользовании основан на концепции ноосферы – сферы разума, сферы взаимодействия природы и общества. Автор биосферно-ноосферной концепции академик В.И. Вернадский (1863-1945) считал, что:

 деятельность человека становится основным фактором эволюции биосферы;

 для дальнейшего развития человечества и биосферы человек должен взять на себя ответственность за характер протекания основных эволюционных процессов планеты.

Рост населения современными темпами (более 100 млн. человек в год) не только приводит к социальным проблемам, но и ускоряет расходование природных ресурсов, увеличивает энергопотребление, и, соответственно, энерговыделение, и, наконец, обостряет продовольственную проблему. В комплексе с печальным прогнозом по исчерпанию природных ресурсов рост населения объективно вступает в противоречие с идеологией ноосферы, с первым и вторым уровнями “пирамиды Маслоу”, которые лежат в основе жизнедеятельности человека.

Выход из создавшегося положения только один – дальнейшее развитие современных технологий и супертехнологий (супертехнологии – “high tech” англ. – «высшие» технологии, возможно дорогостоящие, но обеспечивающие решение насущных проблем). К современным тенденциям следует отнести создание так называемых технологических парков (технополисов) – научно-производственных комплексов, совмещающих взаимосвязанные фундаментальные и прикладные исследования, производство и внедрение разработок с учетом социокультурных требований.

К наиболее известным технологиям, использующим последние достижения естествознания, относятся следующие:

– химические, например, синтез новых веществ, отсутствующих в природе или заменяющих исчезающие; применение новых катализаторов для снижения энергопотребления химических процессов, в том числе при переработке нефти;

– биологические, например, использование искусственных ферментов или биоимитаторов;

– добывающие, в частности, рентабельная разработка бедных месторождений, использование морской воды для добычи необходимых ресурсов;

– переработки вторичного сырья, использование отходов, включая способы утилизации и захоронения радиоактивных отходов;

– технологии гелиоэнергетики – освоение процесса фотосинтеза для эффективного использования солнечной энергии;

– ресурсо- и энергосберегающие технологии для снижения общих потерь в любых производственных процессах и повышения к.п.д. – коэффициента полезного действия используемых технологий, например, разработка литиевых батарей с твердым иодным электролитом, принцип действия которых основан на прямом преобразовании химической энергии в электрическую;

– разработка и производство новых материалов, например, эффективных теплозащитных материалов в космической технике, высокотемпературных сверхпроводников (сверхпроводник – материал, электрическое сопротивление которого может приближаться к нулю, что резко повышает эффективность передачи энергии); оптических волокон – заменителей медных проводов в линиях связи и передачи информации;

– медицинские, например, создание микроклимата в жилищах, новые решения по очистке потребляемых воды и воздуха, новые методики лечения с применением генной инженерии (генетика – наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими, генная инженерия – раздел молекулярной биологии, связанный с целенаправленным конструированием несуществующих в природе сочетаний генов); решение проблемы клонирования (клон – в научной фантастике – точная копия какого-либо организма, клонирование – точное воспроизведение организмов, генетически абсолютно сходных друг с другом).


Микромир. Энергия. Материалы. Живое вещество


Описание современного уровня познания, достигнутого при изучении микромира, можно предвосхитить высказываниями двух ученых – немецкого философа–пессимиста Артура Шопенгауэра 1788-1860) и физика, философа–оптимиста Альберта Эйнштейна, сделанными с интервалом в 100 лет:

«...Знание неизмеримо во все стороны, и из того, что достойно знания, никто не может знать даже и тысячной доли». А. Шопенгауэр.

«Самым непонятным в нашем мире является то, что он все-таки понятен». А. Эйнштейн.

И сегодня эти слова справедливы. Если эти высказывания объединить, то можно сделать следующее заключение: да, познание бесконечно, да, наши знания о мире конечны. Выход из этого противоречия человечество давно нашло. Картины мира формировались на основе имеющихся знаний, пусть неполных, пусть частично ложных, но позволяющих создать адекватную текущему бытию модель мира, которая позволяла бы объяснить большинство известных и наблюдаемых фактов и явлений. При этом ученые постоянно расширяли сферу интересов естествознания, совершенствуя методы и технику исследований, смело разрушая сложившиеся стереотипы и концепции, пытаясь найти ответ на главный вопрос: как устроен мир?

Современные представления о строении атома основываются на планетарной модели атома, предложенной английским физиком Эрнестом Резерфордом (1871–1937, лауреат Нобелевской премии по химии – 1908), с «квантовыми дополнениями» Нильса Бора и других физиков (Нобелевские премии за уточнения модели атомного ядра были присуждены в 1963 и в 1975 гг.). В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого двигаются отрицательно заряженные электроны. Общий вид очень напоминает Солнечную систему в мегамире: в центре звезда, вокруг которой вращаются планеты по разным орбитам.

Ядро и электроны, так же как звезды и планеты в Космосе, занимают ничтожную часть объема. Масштабные соотношения геометрии атома можно представить, например, так: две миллиметровые булавочные головки, одна из которых играет роль ядра (условный «диаметр» ~ 10^-15 м), а другая – ближайшего к ядру электрона (условный «диаметр» ~ 10^-15 м), следует разнести на расстояние примерно в 100 м. Таким образом, большая часть вещества в атоме сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями: в веществе в обширном пустом пространстве между очень тяжелыми ядрами двигаются легкие электроны, составляя электронные квантовые оболочки атомов, определяющие материальные свойства тел и обеспечивающие необходимые связи при образовании молекул и молекулярных структур.

Мечта человечества «найти элементарные частицы – частицы неделимые и составляющие первооснову материи» на сегодняшний день привела ученых к следующему заключению: вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы из лептонов и адронов, адроны состоят либо из трех, либо из двух кварков; лептоны электроны и кварки – не имеют структур.

. На внешней оболочке атома находятся отрицательно заряженные электроны, которые двигаются в неких областях, окружающих положительно заряженное ядро и называемых орбиталями; ядро составляют тяжелые частицы, входящие в группу адронов: барионы – нуклоны (протоны и нейтроны) и гипероны; мезоны – каоны, пионы и др. Пространство между электронами и ядром называется физическим вакуумом, который заполнен полем и рождаемыми в нем виртуальными частицами всех типов. Изображенный «уходящим» из атома фотон, свидетельствует о наличии электромагнитного поля в атоме.




Все частицы, составляющие атом, представляют собой динамические структуры, имеющиеся скорости, близкие к скорости света. Эти динамические структуры существуют не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов непрерывной сети частиц и античастиц, в которой происходят их взаимодействия со взаимопревращением частиц, рождением новых, аннигиляцией (уничтожением) старых частиц в непрерывных полях. Устойчивыми частицами в атомах являются только четыре: электрон, протон, нейтрон и фотон. Все остальные существуют как бы виртуально, возникая из поля, заполняющего физический вакуум, и превращаясь в поле.