Шпаргалка по "естествознанию"

 

Основной характеристикой  определенного этапа эволюции галактик является частота звездообразования, а также возраст звезд, их составляющих.

 

Галактики по своему строению, как показали многочисленные исследования последних десятилетий, имеют сложную  структуру и разновидности. Во Вселенной  имеется большое число галактик, подобно нашей Галактике, в которую  входит Солнечная система. В частности, исследованы спиральные галактики, обладающие дисковой подсистемой со спиральным узором. Ближайшей к Солнечной  системе гигантской спиральной галактикой является Туманность Андромеды. Кроме  спиральных существуют эллиплитические галактики, по своему строению и звездному скоплению подобные сферической подсистеме нашей Галактики. В них практически нет газопылевого вещества и молодых ярких звезд. Очень часто эллиптические галактики, особенно самые массивные, имеют плотные ядра, которые по своим проявлениям обычно больше и активнее ядер спиральных галактик.

 

Еще один тип галактик –  неправильные. Их массы и светимости в десятки раз меньше, чем у  Галактики. Звездный состав их подобен  скоплениям в дисках спиральных галактик. Но эти звезды, а также значительные массы газопылевого вещества не образуют регулярной структуры и не обладают выраженным общим вращением. Кроме  ярких молодых звезд, в неправильных галактиках имеются еще и звезды старые, менее яркие, подобные звездам  сферической подсистемы Галактики, также образующие общий сферический  состав. Перечисленные три типа галактик были впервые обнаружены и изучены  Э. Хабблом и другими астрономами  в 20-30-е гг. XX в. В последние десятилетия  стали известны также галактики  иных типов, не всегда укладывающиеся в первоначальную классификацию. Это  относится в первую очередь к  галактикам с активными ядрами и  значительным радиоизлучением. В них  звездная составляющая не обнаруживается; она либо вообще отсутствует, либо, что более вероятно, имеется, но незаметна на фоне огромной светимости плотного ядра.

 

46. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД 

 

Звезды возникали в  ходе эволюции галактик.

 

Большинство астрономов считают, что это происходило в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной  материи, которые постепенно формировались  внутри галактик. Одна из исходных предпосылок  такой гипотезы состоит в том, что, как показывают инструментальные многочисленные наблюдения, «молодые»  звезды всегда тесно связаны с  газом и пылью. Эти звезды и  диффузная материя концентрируются  в спиральных ветвях галактик. Местами  наиболее интенсивного звездообразования  считаются массы холодного межзвездного вещества, которые называются газово-пылевыми комплексами. Наиболее изученный газово-пылевой  комплекс нашей Галактики находиться в созвездии Ориона. Силы тяготения  сжимают холодное газово-пылевое  облако, при этом оно принимает  шарообразную форму. Далее в процессе сжатия возрастает плотность и температура  облака. В результате сжатия возникает  будущая рождающаяся звезда (протозвезда), которая дает излучение в инфракрасном диапазоне, и поэтому рождающиеся  молодые звезды обнаруживаются с  помощью инструментальных наблюдений среди многочисленных источников инфракрасного  излучения. Одно из основных отличий  протозвезды от звезды заключается  в том, что в ней еще не происходят термоядерные реакции, т. е. в ней  нет основного источника энергии  обычных звезд.

 

Термоядерные реакции  начинаются, когда в процессе сжатия протозвезды температура в ее недрах станет порядка 107 К. С этого  времени стадия сжатия звезды прекращается: сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготения  внешних частей звезды. Стадия сжатия звезд, массы которых значительно  больше массы Солнца, продолжается всего лишь сотни тысяч лет, а  звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются сотни миллионов лет. Стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся постоянным «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда находится большую  часть своего существования. Таких  звезд во Вселенной больше всего. Время пребывания звезды на главной  последовательности пропорционально  массе звезды, так как от этого  зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально светимости, которая определяет темп расхода  ядерного горючего. А поскольку светимость звезды пропорциональна примерно четвертой  степени ее массы, то массивные звезды эволюционируют быстрее. Они находятся  в стационарной стадии только несколько  миллионов лет, а звезды, подобные Солнцу, – миллиарды лет. Когда  весь водород в центральной области  звезды превратится в гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. Теперь уже водород превращается в гелий  не в центре звезды, а в слое, прилегающем  к очень горячему гелиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постепенно сжиматься  и при этом еще более разогреваться. Когда температура внутри звезды превысит 1,5 X 107°К, гелий начнет превращаться в углерод с последующим образованием все более тяжелых элементов. Как показывают расчеты, светимость и размеры звезд будут возрастать. В результате обычная звезда постепенно превращается в красного гиганта, или  сверхгиганта.

 

47. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА 

 

Проблема происхождения  планет Солнечной системы в частности  и вообще в космическом пространстве очень сложная и еще не совсем решенная на данном этапе времени.

 

Сегодня существуют следующие  наиболее важные выводы планетной космогонии:

 

– планеты нашей системы  сформировались в результате объединения  твердых, холодных тел и частиц, входивших  в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце;

 

– формирование планет происходило  под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов  стало сжатие – уплощение вращающейся  туманности, ее удаление от «протосолнца», столкновение частиц, их укрупнение;

 

– спутники планет, в том  числе и Луна, возникли из роя  частиц, окружавших планеты, т. е. в конечном итоге тоже из вещества протопланетной туманности.

 

Таким образом, основная идея современной планетной космогонии сводится к тому, что планеты и  их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц.

 

По своим физическим характеристикам  планеты Солнечной системы делятся  на две группы – планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты  земной группы Меркурий, Венера, Земля, Марс имеют небольшие размеры  и массы, средняя плотность этих планет в несколько раз превосходит  плотность воды; они медленно вращаются  вокруг своих осей; у них мало спутников. У Марса два крохотных  спутника, у Земли – один, а  у Венеры и Меркурия их вообще нет. Сходство планет земной группы не исключает  и значительного различия. Например, Венера в отличие от других планет вращается в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца. Период обращения  Меркурия, т. е. год этой планеты, только на 1/3 больше периода его вращения вокруг оси по отношению к звездам. Углы наклона осей к плоскости  их орбит у Земли и у Марса  примерно одинаковы, но совсем иные у  Меркурия и Венеры. А это одна из причин, определяющая характер смены  времени года. Такие же, как у  Земли, времена года есть на Марсе, но каждое время года почти в два  раза продолжительнее, чем на Земле. По ряду физических характеристик к  планетам земной группы относится и  далекий Плутон – самая маленькая  из 9 планет.

 

В состав солнечной системы  входят планеты-гиганты; Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все эти планеты  и особенно Юпитер, имеют большие  размеры и массы. Например, по объему Юпитер превосходит Землю почти  в 1320 раз, а по массе – в 318 раз. Эти планеты имеют низкую среднюю  плотность, причем наименьшая она у  Сатурна – 0,7 X 103кг/м3. Планеты-гиганты  очень быстро вращаются вокруг своей  оси. Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера  смены времени года на них всегда низкая температура. На Юпитере вообще нет смены времени года, поскольку  ось этой планеты отличается наличием большого числа спутников: у Юпитера  – 39, Сатурна – 30, Урана – 21 и только у Нептуна – 8. Имеется значительная особенность планет-гигантов – наличие  колец, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана, Нептуна. Эти планеты не имеют  твердых поверхностей. Они состоят  в основном из водорода и гелия. Различия по химическому составу планет-гигантов от планет земной группы связаны с  процессом образования планетной  системы вокруг Солнца.

 

48. АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП В  СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ 

 

Современная космология формулирует  и обосновывает три принципа функционирования Вселенной и ее подсистем. Первый принцип – антропный (антропогенный). Антропный принцип утверждает, что  мы живем не просто в наилучшей, а  в единственно возможной для  жизни Вселенной. Причем жизнь невозможна на уровне элементарных частиц, для  ее возникновения нужны более  сложные структуры – атомы, молекулы, планеты. Но для того чтобы существовал  хотя бы простейший атом – атом водорода, необходимо, чтобы масса электрона  была меньше, чем разность масс нейтрона и протона. Подобных соотношений  в окружающем человека мире существует множество. Все это происходило  в процессе эволюции материи и  Вселенной. На определенном этапе эволюции материи при появлении подходящих условий во Вселенной возникает  жизнь. Ее возникновение, существование  и развитие обусловлены рядом  свойств Вселенной, выражающихся в  константах, характеризующих гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное  взаимодействия. Ученые считают, что  при значениях этих констант, например гравитационной постоянной, отличающихся от наблюдаемых, жизнь во Вселенной  просто бы не могла существовать. Ясно, что жизнь не могла возникнуть и на ранних стадиях расширения Метагалактики. Но именно в первые минуты расширения при температурах более 109"К вещество уже имело «стандартный химический состав». Если бы состав вещества был  иным, то трудно сказать, какой стала  бы дальнейшая химическая эволюция вещества Метагалактики. Образовавшиеся в поздних  стадиях расширения Метагалактики  звезды оказались не только источниками  энергии, но и теми объектами Вселенной, в недрах которых синтезировались  необходимые для возникновения  жизни химические элементы. Для существования  жизни небезразлично и то, что  Метагалактика расширяется. Если бы по каким-либо причинам несколько миллиардов лет назад началось сжатие Метагалактики, то постепенное повышение температуры  превысило бы значение, при котором  возможно существование жизни.

 

Человечество живет на небольшой планете, движущейся вокруг одной из бесчисленного множества  звезд Вселенной. Во Вселенной, как  считают большинство современных  астрономов и философов, возможно существование  множества миров, в которых обитают  цивилизации, аналогичные человеческой.

 

В настоящее время ученые ведут поиск внеземных цивилизаций  с помощью мощного радиотелескопа, излучающего радиосигналы на определенных частотах.

 

Предположения ученых о существовании  других цивилизаций во Вселенной  опираются на имеющийся в наличии  огромный банк исследовательских данных, полученных в результате массы наблюдений (наземных и с помощью космических  аппаратов).

 

Эти данные дают основание  ученым утверждать, что:

 

– в Метагалактике есть огромное число звезд, похожих на наше Солнце;

 

– планеты согласно современным  данным должны существовать не только у нашего Солнца, но и других звезд;

 

– планетные системы есть, возможно, даже у некоторых из немногих ближайших к Солнцу звезд;

 

– жизнь на Земле появилась  в результате сложной и длительной эволюции неживой материи. При соответствующих  условиях жизнь могла возникнуть и на планетах других звезд.

 

49. ПРИНЦИП САМООРГАНИЗАЦИИ 

 

Кроме антропного принципа, современная космоло гия рассматривает принцип самоорганизации. Это принцип рассматривает возникновение живого. В длив шейся многие миллиарды лет эволюции выделяютс несколько качественно различных этапов. Вначал имеют место только физические процессы, наприме возникновение элементарных частиц и синтез все бо лее сложных атомных ядер. Объединение атомо в молекулы – это уже химия, а большие молекулы предпосылка зарождения жизни.

 

Космологи представляют всю  эволюцию Вселен ной, включая возникновение  жизни, человека и об щества, как некий единый процесс самодвижени! самоорганизации и самоусложнения материи. В ре зультате многочисленных исследований в науке сей час уже есть эскиз, черновой набросок объяснени всей эволюции: от изначального вакуума и космо логического большого взрыва (20 млрд лет назад до таких необычайно сложных продуктов адаптаци как логическое мышление, совесть и любовь. В ко нечном счете все приходит в мир путем самоорга низации и самоусложнения.

 

Одной из основных догм витализма  было утверждение о том, что органическое вещество не может возникнуть вне  организма. Отсюда вытекала невозможность  возникновения живого из неживого, и проблема естественного происхождения  жизни вообще снималась. Как известно, в 1824 г. Ф. Велеру удалось получить в лаборатории (вне организма) щавелевую кислоту, а четыре года спустя и карбамид (мочевину). В настоящее время многие тысячи органических соединений вырабатываются тысячами и миллионами тонн; современным школьникам кажется даже странным, что между органическим и неорганическим когда-то могла лежать пропасть.

 

Теперь происхождение  генетического кода – ключевая проблема происхождения жизни, тогда как  возникновение органического из неорганического – почти банальность.

 

Третий принцип функционирования Вселенной, рассматриваемый современной  космологией в комплексе с  антропным, на профессиональном жаргоне  часто называют «водоуглеродным шовинизмом». Это связано в первую очередь с нашим химическим составом, причем роль углерода исключительна. Как известно, этот элемент образует раз в тридцать больше различных химических соединений, чем все остальные элементы, вместе взятые. Среди этого богатейшего ассортимента природе легче найти подходящие «строительные материалы» для живого, чем среди каких бы то ни было других имеющихся наборов. Мало того, углерод наиболее способен к образованию таких соединений, молекулы которых имеют сложное цепное и циклическое строение и могут участвовать в очень разнообразных превращениях. Все работает словно по заказу для создания наиболее сложных и пластичных «конструкций».

 

Что касается роли воды, то ее тоже трудно переоценить. Вода в природе  – самый совершенный растворитель, а контакт и взаимодействие веществ  между собой, необходимый для  возникновения самоорганизующихся структур, осуществляется во многих отношениях наиболее совершенным образом в  растворах.

 

Наша принадлежность к  жизни водно-углеродного типа –  огромное везение, наша уверенность  в превосходстве такой формы  жизни над работно-пленочнопылевидными (метало-кремниево-аммиачными и т. д.), по-видимому, имеет под собой весьма солидные основания.

 

50. МОДЕЛЬ НЕСВОБОДНОЙ  ЧАСТИЦЫ И ЗАКОНЫ ДИНАМИКИ 

 

Открытие явления радиоактивности  и результаты опытов Резерфорда убедительно  показали, что атомы не являются неделимыми простейшими частицами. Как было установлено, они состоят  из электронов, протонов и нейтронов. В начале частицы, из которых построены  атомы, считались неспособнымини к каким изменениям и превращениям. Поэтому их назвали элементарными частицами. Знакомство со свойствами этих трех частиц, наиболее распространенных в изученной части Вселенной, показало, что термин «элементарная частица» довольно условен.

 

Одна из этих частиц –  нейтрон в свободном состоянии  существует в среднем лишь около 15 мин, а затем самопроизвольно  распадается на протон, электрон и  нейтрино. Однако считать протон, электрон и нейтрино «настоящими» элементарными  частицами, а нейтрон «ненастоящей»  нельзя, так как каждая из этих частиц при взаимодействии с другими  частицами и атомными ядрами может  превращаться в другие частицы. Полное число параметров, определяющих свойства частицы, довольно велико. Важнейшими из них являются масса частицы, ее электрический заряд, спин и время  жизни. Спином называется величина, дающая количественную характеристику вращательного  движения частицы. Спин частицы (механический момент) у различных частиц может  иметь различные значения, но все  частицы одного типа имеют абсолютно  одинаковые спины.