НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

 

В.А. ЯБЛОКОВ

 

 

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

 

Нижний Новгород

 

УДК 5

ББК 20я7

Я

 

 

Рецензент:

кандидат технических наук, доцент кафедры социальной информатики Волго-вятской академии государственной службы М.Д. Папкова.

 

 

Яблоков В.А.

Концепции современного естествознания. Учебное пособие. Н. Новгород: Изд-во ННГАСУ, 2001.-118 с.

 

В учебном пособии в сжатой форме освещаются фундаментальные основы естествознания, системный взгляд на процессы, происходящие в неживой и живой природе. Знание основ естественных наук, знакомство с современными научно-техническими достижениями позволит составить целостную картину мира. Учебное пособие предназначено для студентов юридических, экономических и других гуманитарных специальностей, а также для старшеклассников, интересующихся современными достижениями науки.

 

ВВЕДЕНИЕ

Концепции современного естествознания-это система взглядов, сформировавшаяся в результате изучения природы прежде всего такими науками, как физика, химия, биология. Понимание явлений, процессов окружающего мира опирается на экспериментально доказанные данные. По мере постижения наукой тайн природы увеличивается объем знаний, увеличивается также сфера непознанного, неизвестного науке (рис.1). Раскрывая одни тайны, мы сталкиваемся с новыми тайнами природы.

 

 

 

 

Рис.1. Модель увеличения знаний и расширения границы непознанного

от начала зарождения научного знания (натурфилософия) до наших дней

 

Демокрит (род.ок. 470-460 до н. э.) основным исходным понятием своей философии считал понятие «атом»-некоторый неделимый материальный индивидуум, который признавался не возникшим и не гибнущим, неразрушимым и не подверженным какому-либо воздействию извне, подлинным бытием, противостоящим пустоте. Если есть предел делимости, следовательно, атом–это тело, которое неразрушимо, вечно и не имеет каких-либо физических свойств. Движущиеся атомы по естественной необходимости образуют отдельные тела и весь мир с его многообразием свойств. Это была умозрительная модель, т.е. модель, созданная силой ума, воображения. Она не имела под собой никаких экспериментальных доказательств.

В наше время делимость атома стала важнейшим фактором современной жизни. Эксперименты показали, что атом, ранее считавшийся неделимым, оказался сложным образованием, состоящим из более мелких частиц (протоны, нейтроны, электроны). Расширился объем знаний об атоме, и одновременно увеличилась сфера непознанного. Вместо неделимого образования–атома–появились элементарные частицы. Оказалось, что обычное вещество, к которому относятся протоны и нейтроны, состоит из фундаментальных частиц первого поколения. К первому поколению относятся «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино. Протон состоит из двух «верхних» и одного «нижнего», а нейтрон-из двух «нижних» и одного «верхнего» кварков. Тайна неделимых частиц со времен Демокрита до наших дней не только сохранилась, но и приумножилась. Увеличился объем наших знаний о микромире, и увеличилась сфера непознанного.

Знание-основной результат науки. По мере изучения природы мы выстраиваем модели изучаемых объектов, изменяем их в соответствии с расширением и уточнением наших знаний. Изучаем ли мы природу как объективную реальность, которая существует независимо от нашего сознания? Существуют разные точки зрения. Приведем высказывание известного английского астронома Артура Эддингтона (1882-1944): «…Там, где наука особенно далеко ушла в своем развитии, разум получил от природы то, что им было заложено в природу. На берегах неизвестного мы обнаружили странный отпечаток. Чтобы объяснить его происхождение, мы выдвигали одну за другой остроумнейшие теории. Наконец нам все же удалось восстановить происхождение отпечатка. Увы! Оказалось, что это наш собственный след» [10, с.29].

Природа, все явления в ней независимы от нашего сознания. У Эддингтона в этом сомнений нет. Однако наше сознание представляет все знания о природе в моделях. Модель как способ существования знаний сохраняет лишь некоторые свойства изучаемого объекта. То, что разуму удается узнать у природы, закладывается в модели. По мере изменения своих представлений об окружающем мире мы обращаемся к уже известным моделям, дополняем или изменяем их. Модель-это и есть «наш собственный след», наша мысль о природе, наше представление о том, как устроен мир. Отличается ли наше понимание природы от её реального состояния? Конечно, отличается. Мы «закладываем» в картину мира, в природу, в процессы и явления только то, что нам известно. А известны нам лишь ответы на вопросы, которые мы сами задаем природе.

Есть точка зрения на научное познание, высказанная немецким философом Отто Шпенглером (1880-1936): «Только профаны и обыватели считают природу некоей объективной реальностью. На самом деле, природа-это переживание, насквозь насыщенное совершенно личным содержанием. Никакого мира самого по себе нет, а есть только различные физические теории природы. Преходящи даже звездные миры, потому что наша-столь же преходящая-видимая глазом западного человека, возникшая из его чувств система мира, установленная Коперником, есть нечто совершенно отличное. Научное познание есть самопознание-разве не такой вывод поставляется нам фактами?» Более осторожен в своих суждениях американский философ Чарльз Пирс (1839-1914): «На вопрос о реальности я бы предложил такой ответ: реальность есть лишь объект окончательного мнения, к которому привело бы достаточное исследование».

Древнегреческий ученый Птолемей (II век) в своей геоцентрической системе мира представил все видимые движения светил вокруг неподвижной Земли. Модель оказалась далекой от истинного состояния наблюдаемой части мира, но имела исключительно большое практическое значение в определении географических координат и в мореплавании. Она с великой пользой прослужила полторы тысячи лет, прежде чем исследователи вышли на свой более точный «след», отпечаток на берегах неизвестного. Польский астроном Николай Коперник (1473-1543) попытался усовершенствовать

 

геоцентрическую систему мира. В своем сочинении «Об обращениях небесных сфер» он пришел к выводу, что Земля, считавшаяся ранее центром мира,-одна из планет солнечной системы. Им была создана гелиоцентрическая модель мира, столь же полная в решении всех астрономических задач, как и «Великое математическое построение» Птолемея. Но это другое, более точное видение мира.

Наука, знания позволяют человеку жить и выжить в постоянно изменяющемся мире. При этом человек вынужден действовать сообразно тем условиям, в которых находится. И всякий раз в любых условиях необходимо уметь предвидеть, избежать и действовать профессионально. Именно знания позволяют предвидеть последствия, которые нас ожидают при совершении тех или иных действий. Благодаря знаниям удается заранее избежать нежелательных последствий. Человек, овладевший знаниями, способен действовать профессионально, правильно и надежно.

 

Вопросы для проверки знаний

1. Справедливо ли утверждение, что чем больше знаешь, тем больше не знаешь?

2. «Решением всякой проблемы служит новая проблема» (И. В. Гёте). Согласны ли вы с этим утверждением?

3. Согласны ли вы, что человек вынужден учиться всю жизнь?

 

ЧЕЛОВЕК-МЕРА ВСЕХ ВЕЩЕЙ

 

Масштабы времени и пространства

Теоретические и экспериментальные способы оценки наблюдаемых во Вселенной процессов и состояний объектов весьма эффективны. Образцом теоретических…                             …

Вопросы для проверки знаний

1. Какие теоретические положения легли в основу математических вычислений Эратосфена Киренского?

2. Почему поток солнечного света, падающий на Землю, рассматривается как параллельный поток лучей?

 

Две грани культуры

К сожалению, узко прагматическая установка на разграничение гуманитарных и естественных частей общей культуры представляет серьёзную опасность. На…   Естественная грань культуры

Вопросы для проверки знаний

2. Известны ли вам выдающиеся деятели, которые проявили блестящие способности и в гуманитарной, и естественно-научной областях культуры? 3. Почему математика занимает особое положение среди других наук? 4. Какие из перечисленных целей (заработать на жизнь, раскрыть тайны природы, вращаться в кругу интеллектуалов,…

Наука и нравственность. Воспитание и образование

  Воспитанию принадлежит ведущая роль в индивидуальном нравственном, умственном… Л. Толстой считал, что фундамент формирования личности закладывается в раннем возрасте. В 3-5 лет формируется характер…

Вопросы для проверки знаний

2. Что следует понимать под истиной в науке? 3. В чем сходство и различие между образованием и воспитанием? 4. Можно ли утверждать, что барьером преступному использованию научных открытий может служить воспитание?

Наука. Религия. Искусство

Ученый находится в железных тисках законов природы и логики. Он несвободен. Религиозное знание принципиально отличается тем, что ниоткуда не может… Существование внезапного внутреннего озарения любому творческому человеку… Таким образом, истину он увидел до того, как нашел, построил к ней мостик–доказательство.

Баллада примет

Я знаю, весел кто и кто не в духе, Я знаю тьму кромешную и свет, Я знаю – у монаха крест на брюхе,

Вопросы для проверки знаний

1. В книге Екклесиаста сказано, что «…во многой мудрости много пчали, и кто умножает познания, умножает скорбь». Почему обращается внимание на скорбь и печаль, а не на радость?

2. Опирается ли наука на веру, на недоказанное?

3. Опирается ли религия на веру, на недоказанное?

4. В чем сходство и различие науки и искусства?

 

МИР СИСТЕМ

 

Иерархия систем. Принцип иерархичности

   

Вопросы для проверки знаний

1. Что называется системой?

2. Как формулируется принцип иерархичности?

3. Что в приведенной на рис.4 иерархии систем находится ниже элементарных частиц и выше Метагалактики?

 

Системность практической и познавательной деятельности

Человека

Практическая деятельность характеризуется целенаправленностью, алгоритмичностью и системным конечным результатом. Прежде чем действовать, человек… Системность практической деятельности человека состоит в том, что она… Во всяком действии прослеживается последовательность операций–алгоритм, подчиненность действий определенной цели.…

Вопросы для проверки знаний

2. Что называют целью? 3. Чем отличается алгоритм практической деятельности от алгоритма в… 4. Что называют практической деятельностью?

Принципы системности

Принцип иерархичности: система состоит из частей, но сама является частью большей системы. Мы уже рассматривали действие этого принципа на примере… Принцип целостности:свойства целого не сводятся к сумме свойств его частей и…    

Вопросы для проверки знаний

2. Почему свойства целого не сводятся к сумме свойств его частей? 3. Справедливо ли утверждение о том, что структуру имеет любая система? 4. Зависят ли свойства, проявляемые человеком, от социальной среды, в которой он находится?

Модели и моделирование

В соответствии с определением моделями являются не только уменьшенные или увеличенные копии оригиналов, такие как макеты судов, самолетов,… От умозрительной модели атома Демокрита, построенной силой ума, воображения,…  

М О М О М О

  Рис.9. Прагматическая модель-средство управления и организации практических…  

Вопросы для проверки знаний

2. Какие модели называются прагматическими? 3. Какие модели называются познавательными? 4. В чем различие между прагматическими и познавательными моделями?

Методы науки

Научные факты служат фундаментом для обобщений, представляемых в виде гипотез. Гипотезы высказываются в виде предположений, укладывающихся в… Процесс познания в виде упрощенной схемы представляет собой…  

Вопросы для проверки знаний

2. Чем отличается факт или наблюдение от научного факта? 3. Почему требуется проверка наблюдений? 4. Что называют гипотезой?

МИР МИКРОСИСТЕМ

«Кирпичиками» мироздания выступают элементарные частицы. Они называются так потому, что их строение не установлено, хотя состав некоторых из них уже… Частицы вещества и частицы поля на микроуровне рассматриваются не как… Среди элементарных частиц особое место занимают протон, нейтрон и электрон. За счет обменных взаимодействий протоны и…

Элементарные частицы. Вещество и поле

Взаимодействия между частицами вещества осуществляются полями. Поле-вид материи, переносящей электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное… Кварки и лептоны относят к фундаментальным частицам вещества. Они на данный…  

Т а б л и ц а 1

    Поколения   Классы   Кварки   Лептоны   1-е … *) Не открыт, но теоретически предсказан.  

Вопросы для проверки знаний

2. В чем различие форм материи? 3. Какие частицы называют фундаментальными? 4. Из каких элементарных частиц построено вещество?

Атомный уровень организации вещества

Протон состоит из двух верхних кварков с зарядом q= +2/3 и одного нижнего кварка с зарядом q= -1/3. Кварки связаны глюионным полем (сильным полем).… q= 2×(-1/3) + (+2/3) = 0. В отличие от стабильного протона нейтрон имеет… Размеры атома по сравнению с размерами атомного ядра гигантские. Достаточно сравнить радиус ядра 10-15м и радиус атома…

Вопросы для проверки знаний

2. Можно ли утверждать, что электромагнитное поле-это поток энергии, не обладающий массой? 3. Справедливо ли утверждение, что не только тела излучают свет квантами, но и… 4. К какому выводу пришел де Бройль, опираясь на идеи Планка и Эйнштейна?

Молекулярный уровень организации вещества

Энергия взаимодействия между атомами   Расстояние между атомами ж)

Вопросы для проверки знаний

1. В чем различие между такими микрочастицами, как атом водорода и молекула водорода?

2. Почему положительно зараженные ядра в молекуле водорода не разлетаются в результате отталкивания?

3. Какие типы химических связей возможны в молекулах?

 

МИР МАКРОСИСТЕМ

Макросистемы-это твердые, жидкие, газообразные вещества, состоящие из множества взаимосвязанных атомов, молекул или ионов. Газ при высоких… Рис.14. Модели ковалентной (а), ионной (б), молекулярной (в) и

Вопросы для проверки знаний

2. Назовите типы кристаллических решеток, классифицированные по типу химической связи или межмолекулярному взаимодействию. 3. В чем сходство и различие между твердым и жидким состоянием вещества? 4. В чем сходство и различие между жидким и газообразным состоянием вещества?

ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

обмениваться энергией; обмениваться веществом; изменять геометрическую конфигурацию;

Ядерные реакции

14N7 + 4Не2 ® 17О8 + 1Н1 Указанная реакция была осуществлена еще в 1919 г. Резерфордом. Он… Одна из главных трудностей осуществления бомбардировки мишеней состояла в том, чтобы заставить a-частицы подойти к…

Вопросы для проверки знаний

1. Какие микрочастицы входят в состав атомного ядра?

2. Какие реакции называют ядерными?

3. Под действием каких микрочастиц происходит деление ядер урана?

4. Чем отличаются ядерная и термоядерная реакции?

5. Какие частицы называют нуклонами?

6. Что подразумевается под удельной энергией связи ядра?

7. Почему при делении и синтезе ядер выделяется энергия?

 

Химические реакции

Химические превращения вещества связаны с электромагнитным взаимодействием атомов и молекул на расстояниях, соизмеримых с размерами атомов, т.е. на… Ядерные и химические превращения вещества объединяет общее: изменение… Ядерные и химические превращения не соизмеримы по величине энергетических изменений. Связано это с проявлением…

Вопросы для проверки знаний

1. Какие реакции называются химическими?

2. Чем отличается химическая реакция от ядерной?

3. Справедливо ли утверждение, что энергия вещества, претерпевающего химическое превращение, скрыта в химических связях?

 

Метаболизм

Метаболизм включает два типа химических превращений вещества катаболизм и анаболизм. Реакции распада веществ, попадающих в живой организм с пищей,… Все живые организмы по способу получения энергии и вещества делят на две… В клетках растений идут метаболические процессы: фотосинтез и клеточное дыхание. Образование моносахарида–глюкозы–идет…

Фотосинтез

6СО2(г) + 6Н2О(ж) С6Н12О6(т) + 6О2(г) Клеточное дыхание (выделение энергии)

Вопросы для проверки знаний

2. Чем отличается катаболизм от анаболизма? 3. Чем отличаются продуценты от консументов? 4. Чем отличается фотосинтез от клеточного дыхания?

ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ. ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Рассмотрим пример, показывающий зависимость работы и теплоты от пути перехода системы из начального в конечное состояние (рис.27). Тело массы m,…                      

Вопросы для проверки знаний

2. В чем различие полной энергии от кинетической, потенциальной и внутренней энергии системы? 3. Почему теплоту и работу называют формами передачи энергии? 4. Почему энергию называют функцией состояния системы?

ЖИЗНЬ

 

Жизнь–это процесс поддержания устойчивого состояния живых систем в результате обмена энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Свойство обмениваться веществом, энергией, информацией присуще как живым, так и неживым системам. Такие микро- и макросистемы неживой природы, как атомы, молекулы, твердые, жидкие и газообразные тела, проявляют фундаментальные свойства:

обмениваться энергией;

обмениваться веществом;

изменять геометрическую конфигурацию;

превращаться, т.е. переходить в качественно и количественно новое состояние в пространстве и во времени;

обмениваться информацией с помощью сигналов.

Как только состояния одного объекта будут находиться в соответствии с состояниями другого объекта, это значит, что один объект отражает другой объект, содержит информацию о другом объекте. Для того, чтобы два объекта содержали информацию друг о друге, необходимо, чтобы между их состояниями существовало соответствие: только при этом условии по состоянию одного объекта можно судить о состоянии другого. Такое соответствие устанавливается в результате физического взаимодействия между объектами. Два объекта могут взаимодействовать непосредственно. Кроме того, соответствие между состояниями двух объектов может устанавливаться и с помощью взаимодействия с промежуточными объектами, часто даже целой совокупностью объектов. Колебания воздуха передают, например, звуки музыки, речь лектора, пение птиц, шум двигателя, звонок к окончанию занятий. Колебания электромагнитного поля несут сигналы, которые преобразуются в звуки музыки, речь, изображения объектов и т.д. Две молекулы (диполи) взаимно ориентируются, обмениваясь сигналами посредством электромагнитных полей.

Сигнал есть материальный носитель информации, свойство перенесения информации в пространстве и во времени. Следовательно,информация есть то, что несет сигнал. Мы можем заключить, что в качестве сигналов выступают не сами по себе объекты, а их состояния. Информация играет в системах очень важную роль. Если энергетические и вещественные потоки питают систему, то потоки информации, переносимые сигналами, организуют функционирование системы, управляют ею.

Живым и неживым системам присущи одни и те же фундаментальные свойства, о которых говорилось выше. И все же жизнь отличается от неживой материи тем, что она соответствует метастабильному, неустойчивому состоянию, тогда как неживые системы находятся в устойчивом состоянии или самопроизвольно переходят в устойчивое состояние. Метастабильное состояние жизни напоминает метастабильное состояние шарика, скачущего в восходящей струе воды. Пока поток удерживает шарик в верхней части струи, он не падает. Пока поток солнечной энергии поддерживает жизнь, она самовоспроизводится и не разрушается.

 

Живые системы

Органические соединения, имеющие одинаковый количественный состав и соответственно молекулярные формулы, но разную структуру, называются изомерами.…

Химическая формула

С₂Н₆О

Н Н Н Н

½ ½ ½ ½

Н¾С¾С¾ОН Н¾С¾О¾С¾Н

½ ½ ½ ½

Н Н Н Н

Спирт (этанол) Диметиловый эфир

 

Структурные изомеры

 

Стереоизомеры отличаются пространственным расположением атомов и групп атомов в молекуле.

 

Химическая формула аминокислоты-аланина

С₃Н₇NO₂

 

СООН СООН

½ ½

Н₂N¾С¾Н Н¾С¾NН₂

½ ½

СН₃ СН₃

L-a-аланин D-a-аланин

 

Стереоизомеры

               

Вопросы для проверки знаний

2. Что такое информация? 3. Включают ли метаболические процессы обмен веществом, энергией и… 4. Являются ли носителем информации: а) вещество; б) поле; в) вещество и поле?

Происхождение жизни

Синтез органических соединений из неорганических в восстановительной среде был доказан в середине ХХ века. Аминокислоты образуются в… С момента образования Земли, возраст которой оценивается в 4,6 миллиарда лет,…  

Вопросы для проверки знаний

1. Какой состав имела первичная восстановительная атмосфера?

2. Какие ученые доказали появление органической жизни из неорганических веществ?

3. Изменили ли живые системы состав атмосферы Земли?

 

Эволюция биосферы

Второй закон термодинамики выражает глобальное отрицание возможности самопроизвольного возникновения упорядоченных структур. В соответствии с этим… Появление простейших клеток–прокариотов, не обладающих типичным клеточным… С появлением эукариотов–одноклеточных организмов–клетка обрела ядро. Клетки эукариотов объединялись в многоклеточные…

Вопросы для проверки знаний

1. Что называют биосферой?

2. Противоречит ли возникновение жизни на Земле второму закону термодинамики?

3. Какие живые организмы возникли на Земле первыми?

4. Какие положения эволюционной теории были выдвинуты Дарвиным?

5. Что являлось слабым звеном в эволюционной теории Дарвина?

Современные взгляды на эволюцию живых систем

Познание механизма эволюционных процессов необходимо, чтобы научиться предвидеть их направление и управлять ими. Такие возможности открываются в… Путь становления генетики не был прямым. Отцом законов наследственности… Гибрид, полученный при скрещивании растений, отличающихся друг от друга одной парой альтернативных признаков, будет…

Рис. 33. Шифр жизни

 

Их совместная публикация содержала всего 900 слов. Она появилась на свет в апреле 1953 г. в «Nature» и заканчивалась фразой о том, что описанная структура ДНК позволяет воочию увидеть, как жизнь решает одну из своих главных задач – передачу наследственного материала (рис.33). В 1962 г. Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены Нобелевской премии за одно из важнейших открытий ХХ века.

Наследственность, или наследственная информация, с абсолютной точностью сохраняется в живой системе в процессе репликации (удвоения) ДНК. При рождении из старой двух новых ДНК сохраняется полностью генетический код, определяющий устройство организма и его свойства.

Изменчивость, или способность живой системы приобретать новые признаки, вызывается взаимодействием организма со средой. Мутации возникают вследствие изменения структуры гена или хромосом. Причиной мутации служат мутагены: радиоактивное излучение, токсичные химические вещества и т.д. Мутагенные процессы происходят постоянно. При этом возникают различные варианты генов, составляющих резерв наследственной изменчивости. Но это не означает, что организмы–обладатели мутаций- становятся продолжателями нового вида. Как правило, они нежизнеспособны и погибают. Но при этом всегда остается шанс выживания, если изменились условия внешней среды и организмы-мутанты получают преимущество в процессе естественного отбора.

При половом размножении сочетание отдельных генов и хромосом также может служить толчком к множественным мутациям. Итак, мутации–главный поставщик эволюционного материала, и живые системы имеют шанс «подстроиться» к изменяющимся условиям внешней среды. Направляющее воздействие на живые системы условий внешней среды не закрепляется только мутационными процессами. Нужны так называемые популяционные волны и изоляция живых систем.

Популяционные волны – это количественные колебания численности популяций под воздействием климатических, природно-катастрофических и других изменений. Роль подобных воздействий, как правило, приводит к резкому снижению численности популяции и, как результат, к увеличению близкородственных скрещиваний. Это может привести к изменениям направленности и интенсивности действий отбора.

Изоляция популяции нарушает свободное скрещивание и закрепляет возникшие в результате естественного отбора различия в наборах и численности генотипов в изолированных частях популяции.

 

Вопросы для проверки знаний

1. Признает ли современная наука положения эволюционной теории Дарвина?

2. Какие факторы современная эволюционная теория признает ведущими?

3. Что изучает генетика?

4. В чем сущность законов Менделя?

5. Можно ли воздействовать на гены?

6. Что такое мутации?

7. Что представляют собой мутационные волны?

8. Что такое изоляция популяции?

 

ВСЕЛЕННАЯ

Даже мысленно невозможно представить безграничную в пространстве и во времени Вселенную. Доступная наблюдениям часть… Крупнейшими образованиями в Метагалактике являются галактики, состоящие из…  

Пространство и время

Специальная теория относительности А. Эйнштейна рассматривает пространство и время как единое целое и опирается на два положения. Во-первых, на… Из специальной теории относительности следует относительность одновременности… Ньютон рассматривал абсолютное время само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему, оно протекает…

Вопросы для проверки знаний

1. Назовите астрономические единицы измерения звездных расстояний.

2. На какие два положения опирается специальная теория относительности А. Эйнштейна при трактовке понятий пространства и времени.

3. Как Ньютон трактовал абсолютное пространство и абсолютное время?

4. Существуют ли понятия абсолютного пространства и времени в современной теории Вселенной?

5. Какие возможные пути эволюции Вселенной предсказаны Фридманом?

 

Экспериментальные доказательства расширяющейся Вселенной

Чем дальше расположены от нас галактики, тем с большей скоростью они удаляются, тем большее красное смещение наблюдается в спектре галактики. Хаббл…                 …  

Сдвиг полос линейчатого спектра в длинноволновую область

 

Рис. 34. Красное смещение (стрелками указано смещение в длинноволновую область линий в спектрах дальних галактик вследствие эффекта Доплера)

 

Факт постоянного расширения Вселенной доказан. Возникает вопрос: если Вселенная расширяется, то какой она была в момент начала расширения и когда это произошло? Подсчеты ученых говорят, что Вселенная начала расширяться приблизительно 12-15 млрд. лет назад. На начальной стадии вещество Вселенной имело настолько высокую плотность и было настолько горячим, что это невозможно себе представить, хотя можно выразить цифрой. Для описания состояния Вселенной используются математические модели, упрощенно описывающие ее свойства как расширяющейся системы. Расширение Вселенной означает, что она никогда не была одинаковой во времени. Она эволюционировала и эволюционирует, т.е. находится в непрерывном изменении. Если представить себе размеры современной Вселенной, подразумевая под этим размер области, из которой информация может дойти до наблюдателя за время, прошедшее с момента начала расширения, то это предельное расстояние оценивается в 4000 Мпк. В честь Э. Хаббла его называют хаббловским радиусом. На самом деле понятие радиуса Вселенной достаточно условно. Реальная Вселенная безгранична и нигде не кончается.

 

Вопросы для проверки знаний

1. Как было доказано существование расширяющейся Вселенной?

2. Что такое эффект Доплера?

3. Что такое хаббловский радиус Вселенной?

 

Судьба Вселенной

Известно, что при расширении газа происходит его охлаждение и уменьшение плотности. В связи с этим обстоятельством следовало ожидать, что во… Излучение того периода, так называемое реликтовое излучение, должно было… После начала расширения «горячей» Вселенной возможны два направления эволюции, зависящие, как уже указывалось, только…

Вопросы для проверки знаний

1. Объясните, почему Вселенную считают однородной.

2. Что такое реликтовое излучение и какова длина волны и температура такого излучения?

3. Что такое инфляционная Вселенная?

4. Что называют «большим взрывом»?

 

Эволюция Вселенной

Спустя несколько секунд началась эпоха первичного нуклеосинтеза, когда температура резко упала и из элементарных частиц стали образовываться ядра… После завершения эпохи рекомбинации не сразу появились звезды. Еще не было ни… Доказательством появления неоднородностей послужили следующие экспериментальные данные. В начале 90-х годов ХХ века в…

Вопросы для проверки знаний

1. Что такое первичный нуклеосинтез и процесс рекомбинации?

2. Какие силы явились причиной возникновения крупномасштабных космических тел?

 

Рождение и гибель звезд

В нашей Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд общей массой, равной примерно пяти массам Солнца. Возраст массивных звезд составляет… Известно, что межзвездный газ состоит на 67% по массе из водорода, на 28% из… Молекулярные облака являются центрами рождения звезд. Они имеют довольно сложное строение. Внутренняя часть…

Т а б л и ц а 2

  Характеристика   Фаза 1- формирование   Фаза 2- быстрое сжатие Фаза 3- медленное…   Астрофизические исследования установили, что молекулярные облака- это «фабрики по производству звезд» в галактиках с…

Вопросы для проверки знаний

2. Что такое протозвезда и какие фазы в своем развитии она проходит? 3. Что такое молекулярные облака?

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА В ГАЛАКТИКЕ

      гало

Солнце

Солнце

А) б)

 

Рис. 37. Модель строения нашей Галактики:

а) спиральный диск галактики, б) Галактика с гало

 

По форме наша Галактика представляет спиральный диск, состоящий из спиральных ветвей или рукавов. Диаметр Галактики превышает 100 тыс. световых лет, а толщина – около 1 тыс. световых лет (рис. 37). По внешнему виду Галактика напоминает чечевичное зерно с утолщением посередине. Границы нашей Галактики определяются размерами гало. В состав гало входят очень старые и небольшие по массе звезды. Их возраст составляет примерно 12 млрд. лет. Размеры гало превышают размеры Галактики и, вероятно, составляют несколько сотен тысяч световых лет. Спиральный диск Галактики отличается по составу звезд от гало.

Вблизи плоскости диска концентрируются молодые звезды, возраст которых примерно такой же, как и у Солнца, т.е. не превышает нескольких миллиардов лет. Среди них очень много ярких и горячих звезд. Ядро Галактики характеризуется сильной концентрацией звезд, а в самом центре предполагается существование массивного невидимого тела – черной дыры.

Солнце расположено посередине между центром ядра и краем диска. Медленное вращение Галактики вокруг центра происходит примерно за 200 млн лет. Кроме вращения в составе Галактики, Солнце совершает вращение вокруг собственной оси. Период вращения Солнца составляет примерно 27 суток.

 

Солнце

Планеты солнечной системы движутся в поле огромного термоядерного реактора-Солнца. По своим размерам и массе Солнце превосходит все взятые вместе планеты солнечной системы. В Солнце (2×10³⁰ кг) сосредоточено 99,866% массы солнечной системы. Радиус Солнца-696 тыс. км. По сравнению с Землей Солнце больше в 109 раз, но визуально его размеры сравнимы с размерами Луны, т.к. оно находится на громадном расстоянии от планеты Земля. В среднем расстояние от Солнца до Земли-149,6 млн. км. Свет, мчащийся со скоростью 300 тыс. км/с, преодолевает это расстояние за 8, 3 мин.

 

 

Рис. 38. Внутреннее строение Солнца

 

В центральной части Солнца расположено ядро (рис. 38). Несмотря на то, что радиус ядра составляет примерно четвертую часть радиуса Солнца, в объеме ядра сосредоточена половина солнечной массы при плотности газа 150 г/см³ и давлении около 3×10¹¹ атмосфер. Ядро – своеобразный термоядерный котел, источник солнечной энергии. Здесь происходит термоядерный синтез, в результате которого при температуре 15 млн. К ядра атомов водорода (протоны) превращаются в ядра атомов гелия. Энергия выделяется в форме электромагнитного гамма-излучения. Гамма-кванты имеют энергию в миллион раз большую, чем кванты видимого излучения. Это излучение рассеивается во всем объеме зоны лучистой передачи энергии.

Зона лучистой передачи энергии охватывает ядро. В этой зоне плотность газа, температура и давление убывают по мере удаления от ядра. Чтобы квант электромагнитного излучения добрался до поверхности Солнца, необходимы многие тысячи лет. По пути g-кванты поглощаются атомами. В возбужденном состоянии атомы находятся недолго и испускают поглощенную энергию, но не одним квантом, а чаще несколькими, но с меньшей энергией так, что в сумме энергия переизлученных квантов равна поглощенному g-кванту. Постепенно энергия мощного g-излучения преобразуется в энергию рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения.

Зона конвективной передачи энергии характеризуется меньшей прозрачностью, чем зона передачи лучистой энергии. Она начинается на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается почти до самой видимой поверхности солнца – фотосферы. В этой зоне потоки раскаленного газа перемешиваются. Горячие потоки стремятся к поверхности, а менее раскаленные опускаются к центру.

Солнечная атмосфера начинается на 200-300 км глубже видимого края Солнца и включает фотосферу, хромосферу и корону. В фотосфере плотность газов в сотни раз меньше, чем плотность воздуха у поверхности Земли, а средняя температура около 6000 К. Состав газа, нагретого до такой температуры, ограничивается главным образом атомами водорода и гелия. Присутствует также незначительное количество простейших частиц Н₂, ОН, СН, а также ион Н^-. Хромосфера распространяется на 10-15 тыс. км. В этом слое солнечной атмосферы бушуют потоки газа (протуберанцы), состоящего из ионов и электронов. Высокая температура хромосферы обусловлена нагреванием вещества магнитным полем, подобно тому, как происходит нагревание вещества в микроволновой печи, только это гигантская микроволновая печь. Внешняя часть солнечной атмосферы–корона-простирается на миллионы километров и разогрета до 1–2 млн. К. Причина её разогревания та же, что и у хромосферы – воздействие магнитного поля на ионизированную плазму.

Солнце освещает и нагревает планеты солнечной системы. Для планеты Земля такой источник энергии обеспечивает существование жизни растений, микробов, животных и человека. Оно посылает энергию, которая не только поддерживает жизнь на Земле, но несет поток энергии, опасный для человека и других живых систем. Поток электромагнитного излучения от g-лучей до многокилометровых радиоволн достигает окрестностей Земли вместе с потоком заряженных частиц высоких (солнечные космические лучи), средних (выбросы от солнечных вспышек) и низких энергий (солнечный ветер), а также нейтрино. Только часть электромагнитного излучения Солнца проходит сквозь атмосферу и попадает на поверхности Земли (табл. 3).

Рентгеновское и g-излучение, а также ультрафиолетовое излучение с длинами волн 10-310 нм поглощается на высоте 300-350 км от поверхности Земли в термосфере, где давление воздуха составляет ~2×10^-8 мм рт. ст. На этой же высоте отражаются длинные радиоволны. При сильных всплесках

 

Т а б л и ц а 3

  Область спектра Длины волн   Прохождение сквозь земную атмосферу   Методы исследования …   солнечной активности рентгеновское излучение проникает в нижние слои атмосферы на высоте 80-100 км и вызывает…

Вопросы для проверки знаний

2. Что входит в состав солнечной системы? Назовите планеты солнечной системы. 3. Что известно о внутреннем строении Солнца и его размерах? 4. Какое время Солнце существует и каков сценарий его гибели?

Планета Земля в солнечной системе

спутниками (известно больше 60) и более 5 тыс. малых планет или астероидов, в солнечную систему входит несколько сот наблюдавшихся комет и… В состав планет земной группы входят Меркурий, Венера, Земля и Марс. Остальные… Еще в XVI веке итальянский философ Джордано Бруно (1548–1600) предполагал, что звезды, подобно Солнцу, окружены свитой…

Вопросы для проверки знаний.

1. В чем сущность теории происхождения Земли и планет солнечной системы.

2. Какова структура Земли?

3. Почему происходят на Земле извержения вулканов и откуда берется огненная лава?

 

Биосфера. Ноосфера

Определение биосферы, введенное в конце XIX века, обрело глубокий смысл благодаря работам русского ученого В. И. Вернадского (1863-1945). Он… Рассмотрим некоторые особенности биосферы. «Обновление всего живого вещества… Приведем характеристику биосферы, данную в учебном пособии [8, c.333]: «Биосфера-это живое вещество планеты и…

Вопросы для проверки знаний

2. Каковы особенности биосферы? 3. С чем связаны 11-летние циклы напряжения человеческой… 4. Есть ли выход из экологического кризиса?

Стратегия устойчивого развития

В 1972 г. впервые на конференции ООН по окружающей среде, состоявшейся в Стокгольме, внимание государств-участников было сосредоточено на самых… В 1992 г. состоялась вторая конференция ООН по окружающей среде и развитию в… 1. Все государства и все люди будут сотрудничать в осуществлении крайне важной задачи-устранения бедности-необходимого…

Вопросы для проверки знаний

1. Какова стратегия устойчивого развития в современную эпоху?

2. Что является основной причиной экологического кризиса?

 

ФИЗИЧЕСКИЕ КАРТИНЫ МИРА

В эпоху античности (VI в. до н. э.-V в. н. э.) древнегреческие натурфилософы выдвинули ряд гипотез, сыгравших значительную роль в истории науки. Фалес (ок. 625-547 до н. э.) из Милета возводил всё многообразие явлений и… Левкипп (V в. до н. э.) и Демокрит являются основателями завершённой системы атомистики: материя состоит из…

ОГЛАВЛЕНИЕ