бесплатно рефераты
 

Концепции современного естествознания

p align="center">3. Антропный принцип

Современная наука выдвинула антропный космологический принцип , который заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна лишь при тех значениях универсальных физических констант, которые имеют место в действительности. Этот принцип расшифровывается как «тонкая подстройка» Вселенной: если бы значения физических констант отклонялись бы от существующих, возникновение жизни было бы невозможно в принципе. Значит, возможность жизни заложена в начальных физических условиях существования Вселенной.

В некоторых случаях «чувствительность» Вселенной к изменению констант просто поразительна. Так, например, достаточно изменить так называемую константу сильного взаимодействия всего на несколько процентов, чтобы Вселенная состояла только из гелия, а более тяжелых элементов в ней попросту не было бы.

Таким образом, факты говорят о том, что Вселенная устроена удивительно удобно для человека. При несколько ином наборе констант человек как наблюдатель не мог бы и возникнуть. В этом и заключается так называемый «антропный принцип», сформулированный Б. Картером в форме афоризма: «Я мыслю, следовательно, мир таков, какой он есть». На волне дискуссий о правомерности этого принципа появилось множество его разнородных формулировок. Обычно говорят о слабой и сильной версиях антропного принципа, отличающихся весьма значительно друг от друга. Суть слабой версии состоит в следующем: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей» (Б. Картер). Здесь самим своим существованием наблюдатель ограничивает предмет наблюдения.

Сильная версия антропного космологического принципа постулирует, что биологический отбор фундаментальных констант определяет специфику и структуру Вселенной, что возникновение Вселенной в значительной мере детерминировано существованием человека. Сильного принципа придерживаются Б. Картер, Ф. Холл, Б. де Витт. Американский физик Дж. Уиллер развивает антропный принцип в его сильной версии в рамках концепции «о соучаствующей Вселенной»: «Человек не просто наблюдает Вселенную, а придает ей существование». Эту концепцию он иллюстрирует явлением поляризации фотона, порожденного в самый ранний период существования Вселенной после Большого взрыва.

Основной недостаток антропного принципа заключается в том, что из него не выводится какой-либо предсказательный факт, позволяющий сохранить теорию или отбросить ее. Физики очень надеются на то, что в будущем, в рамках теоретической физики будут найдены способы объяснения совпадения чисел без привлечения биологического факта существования живых существ и человека.

4. Строение и эволюция галактик

В конце XIX века границы разведанной Вселенной раздвинулись настолько, что включили в себя Галактику. Многие думали тогда, что эта огромная звездная система и есть вся Вселенная в целом.

Из чего же состоит Вселенная? Хорошо видимая на ночном небе полоса, густо усеянная звездами, - Млечный путь - представляет собой «вид в профиль» нашей галактики, той к которой принадлежит Солнце. Кроме Солнца, в нее входит еще порядка 150 миллиардов звезд. Галактика огромна, и межзвездные расстояния намного превосходят размеры самих звезд. Но наша галактика не единственна. Существует множество других, столь же гигантских, образующих Метагалактику - всю наблюдаемую Вселенную.

Э. Хаббл предложил следующую классификацию галактик:

эллиптические, сфероиды различной сплюснутости, состоящие в основном из старых звезд;

спиральные, в «рукавах», которых находятся молодые звезды;

неправильной формы.

Все они образовались из протооблаков межзвездного вещества, обладающих различными массами и различными моментами количества движения - характеристикой, показывающей, как двигались различные части облаков относительно друг друга. В центрах галактик находятся ядра - компактные скопления огромного количества звезд, выделяющих гигантские энергии во всех диапазонах длин волн.

Пространство между галактиками и между звездами внутри галактик не пусто. В каждом кубическом сантиметре межзвездного пространства в среднем находится один атом вещества. Если атомов в каждом кубическом сантиметре наберется с десяток, то о такой области пространства говорят как об облаке. Оно может быть обнаружено с помощью радиотелескопов и хорошо заметно на окружающем фоне. Для сравнения: в воздухе, которым мы дышим, содержится порядка 1019 атомов в каждом кубическом сантиметре, а в самом лучшем вакууме, который может быть получен в земных лабораториях, в каждом кубическом сантиметре содержится 105 атомов.

В 1963 году были обнаружены загадочные объекты - квазары, представляющие собой чрезвычайно компактные образования, размером со звезду, но излучающие, как целая галактика. В их спектре на сплошном фоне излучения видны яркие линии, сильно смещенные в красную сторону, что говорит о том, что квазары удаляются от нас с огромной скоростью (и расположены очень далеко от нашей галактики).

Основная космологическая проблема - откуда же взялось первоначальное облако межзвездного вещества, из которого произошли все эти объекты, - остается по-прежнему загадочной. Утверждение «Вселенная существовала всегда» оставляет место для вопроса, всегда ли она была такой, какой мы видим ее сейчас. Ведь если Вселенная сохраняет свои свойства во времени и представляет собой более или менее равномерное распределение звезд в пространстве, то возникает так называемый фотометрический парадокс: ночное небо должно сиять, поскольку в любом направлении ближе или дальше от нас будет иметься звезда. Но этого мы не видим. Зато мы обнаружили, что имеет место «красное смещение». И полагаем, что все галактики разлетаются. Значит, говорить о том, что равномерное распределение вещества сохранялось постоянно, не приходится. Таким образом, Вселенная эволюционирует. В результате Большого Взрыва образовались протоны, электроны и другие элементарные частицы. Взаимодействие излучения с веществом на определенном этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разным темпом. Об этом свидетельствует существование так называемого реликтового излучения, характеризующего раннюю стадию развития Вселенной и наблюдаемого сейчас в виде однородного фона длинноволнового излучения, наблюдаемого с любого направления. Частицы стремительно разлетались, взаимодействуя между собой в условиях гигантских температур, постепенно образовались облака, звезды, в недрах которых идут процессы ядерного синтеза тяжелых элементов. Что же дальше? Все зависит от того, какова средняя плотность вещества во Вселенной. Если она больше некоторого критического значения, то реализуется модель замкнутой Вселенной. Под действием сил гравитационного притяжения расширение прекратится (примерно еще через 25 млрд. лет) и начнется сжатие, в результате которого все вещество вновь сожмется в точку. Если же плотность меньше критической, то гравитационные силы не смогут остановить расширение. Реализуется модель открытой Вселенной. Через 1015 лет звезды остынут, через 1019 они покинут свои галактики, еще через невообразимо большие промежутки времени (если известные сейчас физические законы все еще будут действовать) в результате радиоактивного распада все вещество превратится в железо, еще гораздо позже железные "капли" превратятся в нейтронные звезды и черные дыры, которые через 1067 лет испарятся. Оценить плотность наблюдаемой Вселенной непросто, хотя последние данные указывают на то, что, вероятно, она ниже критической, и Вселенная является открытой.

5. Строение и эволюция звезд

Самым распространенным объектом во Вселенной являются звезды. Сопоставляя данные для различных звезд, можно получить общие закономерности и проверить их выполнение на примерах других звезд. Согласно современным представлениям о строении и эволюции звезд процессы, связанные с возникновением и эволюцией звезды, выглядят следующим образом.

Сначала формируется протозвезда. Частицы гигантского движущегося газопылевого облака в некоторой области пространства притягиваются друг к другу за счет гравитационных сил. Происходит это очень медленно, ведь силы, пропорциональные массам входящих в облако атомов (в основном атомов водорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицы сближаются, плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийся сферический "ком" начинает понемногу вращаться, растет и сила притяжения, ведь теперь масса "кома" велика. Все больше и больше частиц захватывается, все больше плотность вещества. Внешние слои давят на внутренние, давление в глубине растет, а, значит, растет и температура. (Именно так обстоит дело с газами, которые были подробно изучены на Земле). Наконец, температура становится такой большой - несколько миллионов градусов, - что в ядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядерной реакции синтеза: водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать, регистрируя потоки нейтрино - элементарных частиц, выделяющихся при такой реакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения, которое давит (силой светового давления, впервые измеренной в Земной лаборатории П.Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Наконец, сжатие прекращается, поскольку давления уравновешиваются, и протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса больше солнечной, и несколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд, массы которых меньше солнечной в 10 раз, очень мало.

Масса является одной из важных характеристик звезд. Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды - образующиеся вблизи друг друга и вращающиеся вокруг общего центра. Их насчитывается от 30 до 50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных звезд, вероятно, связано с распределением момента количества движения исходного облака. Если у такой пары образуется планетная система, то движение планет может быть довольно замысловатым, а условия на их поверхностях будут сильно изменяться в зависимости от расположения планеты на орбите по отношению к светилам. Весьма возможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетных системах одинарных звезд (и существуют в Солнечной системе), не окажется совсем. Обычные, одинарные звезды в процессе своего образования начинают вращаться вокруг своей оси.

Другой важной характеристикой является радиус звезды. Существуют звезды - белые карлики, радиус которых не превышает радиуса Земли, существуют и такие - красные гиганты, радиус которых достигает радиуса орбиты Марса. Химический состав звезд по спектроскопическим данным в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высоких температур атомы ионизируются, так что вещество звезды является в основном водородно-гелиевой плазмой - в целом электрически нейтральной смесью ионов и электронов. От массы и химического состава исходного облака зависят светимость и цветность (спектральный класс) образовавшейся звезды. Светимость звезды - это количество энергии, излучаемой ею в единицу времени. А ее спектральный класс характеризует цвет звезды, который в свою очередь зависит от температуры ее поверхности. При этом "синие" звезды более горячие, чем "красные", а наше "желтое" Солнце имеет промежуточную температуру поверхности порядка 6000 градусов. Традиционно спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквами O, B, A, F, G, K, M (последовательность легко запомнить с помощью мнемонического правила "O, Be A Fine Girl, Kiss Me"), при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, наше Солнце имеет спектральный класс G2.

По мере "выгорания" водорода в центре звезды ее масса немного меняется. Постепенно энергии в центре звезды выделяется все меньше, давление падает, ядро сжимается, и температура в нем возрастает. Ядерные реакции протекают теперь только в тонком слое на границе ядра внутри звезды. В результате звезда в целом начинает «разбухать», а ее светимость увеличиваться. Звезда превращается в так называемый «красный гигант». После того, как температура сжимающегося (теперь уже гелиевого) ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается новая ядерная реакция синтеза - превращение гелия в углерод. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс оболочки - существенная часть массы звезды превращается в планетарную туманность. Горячие внутренние слои звезды оказываются «снаружи», и их излучение «раздувает» отделившуюся оболочку. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда. Медленно остывая, она превращается в «белый карлик». Белые карлики, по-видимому, представляют собой заключительный этап нормальной эволюции большинства звезд.

Но встречаются и аномалии. Некоторые звезды время от времени вспыхивают, превращаясь в новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Из хорошо известных звезд можно упомянуть новую в созвездии Лебедя, вспыхнувшую в августе 1975 года и пробывшую на небосводе несколько лет. Но иногда случаются и вспышки сверхновых - катастрофические события, ведущие к полному разрушению звезды, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от миллиардов звезд той галактики, к которой принадлежит сверхновая. Такое событие зафиксировано в китайских хрониках 1054 года: на небосводе появилась такая яркая звезда, что ее можно было видеть даже днем. Результат этого события известен теперь как Крабовидная туманность, «медленное» распространение которой по небу наблюдается в последние 300 лет. Скорость разлета ее газов в результате взрыва составляет порядка 1500 м/с, но она находится очень далеко. Сопоставляя скорость разлета с видимым размером Крабовидной туманности, мы можем рассчитать время, когда она была точечным объектом, и найти его место на небосклоне - эти время и место соответствуют времени и месту появления звезды, упомянутой в хрониках.

Если масса звезды, оставшейся после сброса оболочки «красным гигантом» превосходит массу Солнца в 1,2-2,5 раза, то, как показывают расчеты, устойчивый «белый карлик» образоваться не может. Звезда начинает сжиматься, и ее радиус достигает ничтожных размеров в 10 км, а плотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра. Предполагается, что такая звезда состоит из плотно упакованных нейтронов, поэтому она так и называется - нейтронная звезда. Согласно этой концептуальной модели у нейтронной звезды имеется сильное магнитное поле, а сама она вращается с огромной скоростью - несколько десятков или сотен оборотов в секунду. И только обнаруженные (именно в Крабовидной туманности) в 1967 году пульсары - точечные источники импульсного радиоизлучения высокой стабильности - обладают как раз такими свойствами, каких следовало ожидать от нейтронных звезд. Наблюдаемое явление подтвердило концепцию.

Если же оставшаяся масса еще больше, то гравитационное сжатие неудержимо сжимает вещество и дальше. Вступает в действие одно из предсказаний общей теории относительности, согласно которому вещество сожмется в точку. Это явление называется гравитационным коллапсом, а его результат - «черной дырой». Это название связано с тем, что гравитационная масса такого объекта настолько велика, силы притяжения настолько значительны, что не только какое-либо вещественное тело не может покинуть окрестность черной дыры, но даже свет - электромагнитный сигнал - не может ни отразиться, ни выйти «наружу». Таким образом, непосредственно наблюдать черную дыру невозможно, можно лишь догадаться о ее существовании по косвенным эффектам. Двигаясь в пространстве по направлению к черной дыре (о которой мы пока ничего не знаем), можно обнаружить, что рисунок созвездий, расположенных прямо по курсу начинает меняться. Это связано с тем, что свет, идущий от звезд и проходящий неподалеку от черной дыры, отклоняется ее тяготением. По мере приближения к дыре возникнет пустая область, окруженная светящимися точками-звездами, в том числе и такими, которых раньше не наблюдалось. Свет от некоторых звезд может, проходя мимо дыры, поворачивать вокруг нее, а затем попадать в приемные устройства наблюдателя. Таким образом, одна звезда может давать несколько изображений в разных местах. Все это, конечно, противоречит как нашему жизненному опыту, так и классическим представлениям, согласно которым свет распространяется прямолинейно. Однако в пользу существования черных дыр говорит целый ряд косвенных астрономических наблюдений, а отклонение света под действием гравитационного притяжения регистрируется уже при прохождении луча мимо такого «нормального» объекта, как Солнце.

6. Происхождение и строение Солнечной системы

В Солнечную систему входит Солнце, девять больших планет с их 34 спутниками, более 100 000 малых планет (астероидов), порядка 1011 комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных тел (поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок). Центральное положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса приблизительно в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в эту систему. Гравитационное притяжение Солнца является главной силой, определяющей движение всех вращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца до самой далекой от него планеты Плутон составляет 39,5 а. е., то есть 6 млрд. км, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звезд. Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 1015 а. е. и подвергаются воздействию притяжения звезд.

Расстояния планет от Солнца образуют закономерную последовательность - промежутки между соседними орбитами возрастают с удалением от Солнца. Эти закономерности движения планет в сочетании с делением их на две группы по физическим свойствам указывают на то, что Солнечная система не является случайным собранием космических тел, а возникла в едином процессе. Поэтому изучение любого из тел Солнечной системы проливает свет на происхождение всей Солнечной системы, а вместе с тем и на происхождение, эволюцию и современное строение нашей Земли.

Благодаря почти круговой форме планетных орбит и большим промежуткам между ними исключена возможность тесных сближений между планетами, при которых они могли бы существенно изменять свое движение в результате взаимных притяжений. Это обеспечивает длительное существование планетной системы.

Все большие планеты - Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон - обращаются вокруг Солнца в одном направлении (в направлении осевого вращения самого Солнца), по почти круговым орбитам, мало наклоненным друг к другу (и к солнечному экватору). Плоскость земной орбиты - эклиптика принимается за основную плоскость при отсчете наклонений орбит планет и других тел, обращающихся вокруг Солнца. Планеты вращаются также вокруг своей оси, причем у всех планет, кроме Венеры и Урана, вращение происходит в прямом направлении, то есть в том же направлении, что и их обращение вокруг Солнца. Чрезвычайно медленное вращение Венеры происходит в обратном направлении, а Уран вращается как бы лежа на боку.

Сатурн, Юпитер и Уран кроме отдельных спутников заметных размеров имеют множество мелких спутников, как бы сливающихся в сплошные кольца. Эти спутники движутся по орбитам, на столь близко расположенным к планете, что ее приливная сила не позволяет им объединиться в единое тело. Подавляющее большинство орбит ныне известных малых планет располагается в промежутке между орбитами Марса и Юпитера.

Все малые планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, но их орбиты, как правило, вытянуты и наклонены к плоскости эклиптики. Кометы движутся в основном по орбитам, близким к параболическим. Некоторые кометы обладают вытянутыми орбитами сравнительно небольших размеров - в десятки и сотни а. е. У этих комет, называемых периодическими, преобладают прямые движения, то есть движения в направлении обращения планет.

Будучи вращающейся системой тел, Солнечная система обладает моментом количества движения (МКД). Главная часть его связана с орбитальным движением планет вокруг Солнца, причем массивные Юпитер и Сатурн дают около 90%. Осевое вращение Солнца заключает в себе лишь 2% общего МКД всей Солнечной системы, хотя масса Солнца составляет более 99,8% общей массы. Такое распределение МКД между Солнцем и планетами связано с медленным вращением Солнца и огромными размерами планетной системы - ее поперечник в несколько тысяч раз больше поперечника Солнца. Момент количества движения планеты приобрели в процессе своего возникновения: он перешел к ним от того вещества, из которого они образовались.

Основная масса вещества, движущегося вокруг Солнца, содержится в девяти больших планетах. К их числу принадлежит и наша Земля. Планеты делятся на две группы, отличающиеся по массе, химическому составу (это проявляется в различиях их плотности), скорости вращения и количеству спутников. По своим физическим характеристикам они делятся на планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Данных о девятой планете - Плутоне - пока мало, но уже ясно, что ее нельзя отнести ни к одной из этих групп.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.