Концепции современного естествознания (стр. 1 )

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Часть II

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Часть II

Учебное пособие

РПК «Политехник»

Волгоград

2007

УДК 502(075)

М 15

Рецензенты: к. ф.- м. н. доцент ; директор Нижневолжской станции по селекции древесных пород ВНИИАЛМИ к. с.-х. н.

Макаров современного естествознания. Часть II: Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2007. – 52 с.

ISBN -2

Во второй части пособия достаточно подробно рассмотрен раздел курса «Астрономия» в который вошли главы: «Современная астроно-мическая картина мира», «Галактика», «Вселенная», «Внеземные циви-лизации».

Форма изложения материала в I и II частях одинакова. В конце параграфа приводится перечень контрольных вопросов, которые в последующем войдут в карточки программированного тестового кон-троля по итогам контрольных недель и семестра.

Предназначено для студентов, обучающихся по очной и очно-заочной формам обучения по специальностям 061100 «Менеджмент организаций» и 060500 «Бухгалтерский учёт и аудит».

Библиогр.: 7 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Валентин Максимилианович Макаров

Концепции современного естествознания. Часть II

Учебное пособие

Под редакцией автора

Темплан 2007 г., поз. № 39.

Подписано в печать г. Формат 60×84 1/16.

Бумага листовая. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 3,25. Усл. авт. л. 3,13.

Тираж 100 экз. Заказ №

Волгоградский государственный технический университет

400131 Волгоград, просп. им. , 28.

РПК «Политехник»

Волгоградского государственного технического университета

400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

ISBN -2 Ó Волгоградский

государственный

технический

университет, 2007

Оглавление

	Введение …………………………………………………………………	4
	Глава I. Современная астрономическая картина мира …………	5
1.	Особенности астрономии XX века. Изменение способа познания в астрономии XX века …………………………………………………	5
2.	Новая астрономическая революция …………………………………...	6
3.	Солнечная система. Планеты и их спутники ………………………….	7
4.	Строение планет ………………………………………………………...	9
5.	Происхождение планет ………………………………………………...	11
6.	Химический состав вещества во Вселенной ………………………….	12
7.	Звёзды ……………………………………………………………………	13
8.	Эволюция звёзд: звёзды от их «рождения» до «смерти». Процесс звёздообразования ……………………………………………………...	16
9.	Звезда как саморегулирующаяся система ……………………………..	16
10.	Сверхновые звёзды ……………………………………………………..	19
11.	Нейтронные звёзды ……………………………………………………..	20
12.	Чёрные дыры …………………………………………………………….	21
	Глава II. Галактики …………………………………………………..	24
13.	Общее представление о галактиках и их изучении …………………...	24
14.	Наша Галактика ………………………………………………………..	28
15.	Понятие Метагалактики ………………………………………………	31
16.	Особенности современной космологии ……………………………….	32
17.	Понятие релятивистской космологии …………………………………	33
18.	Нестационарная релятивистская космология …………………………	34
	Глава III. Вселенная ………………………………………………….	35
19.	Возраст Вселенной ……………………………………………………...	35
20.	Космологический горизонт …………………………………………...	36
21.	Эволюция Вселенной. Модель «горячей» Вселенной …………...……	37
22.	Инфляционная модель Вселенной …………………………………….	39
23.	Образование тяжёлых химических элементов ………………………..	43
24.	Сценарий будущего Вселенной …………………………………………	44
	Глава IV. Внеземные цивилизации ………………………………..	46
25.	Понятие внеземных цивилизаций и их возможная распространённость ……………………………………………………	46
26.	Типы контактов с внеземными цивилизациями ………………………	48
27.	Поиски внеземных цивилизаций ………………………………………	49
	Список использованной литературы ……………………………........	52

Введение

В истории астрономии, древнейшей из наук, не было времени столь богатого самыми выдающимися открытиями, как XX век. В 1963 г. были открыты квазары, в 1965 г. обнаружено реликтовое излучение, спустя ещё два года стали известны пульсары. В 70-е начале 80-х годов, последовало открытие нейтронных звёзд в тесных двойных системах, невидимых корон галактик, видимых сверхсветовых движений в квазарах. Вот-вот произойдёт открытие чёрных дыр.

Это пособие рассказывает о новейших астрономических открытиях, о физических идеях и астрофизических гипотезах, о загадках физики Вселенной, которые ещё предстоит разгадать. Автор при изложении выводов космологии опирается на модели происхождения и развития Вселенной. Почему на модели? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможностях проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное, в принципе, количество экспериментов, и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

К Вселенной это правило остаётся неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения.

Для чтения и понимания материала пособия не требуется подготовки, выходящей за рамки школьных программ по физике, химии и математике. Все используемые формулы весьма просты.

В пособии даётся краткий очерк астрономической картины мира. При этом изложение следует историческому порядку событий в астрономии; материал располагается в порядке усложнения – от уже понятного и потому простого к тому, что исследовано в меньшей степени и остаётся до сих пор полностью загадочным.

Глава I. Современная астрономическая картина мира

1. Особенности астрономии ХХ века.

Изменение способа познания в астрономии ХХ века

В ХХ в. в астрономии произошли радикальные изменения. Прежде всего, значительно расширился и обогатился теоретический фундамент астрономических наук. Начиная с 20–30-х гг., в качестве теоретической основы астрономического познания стали выступать (наряду с классической механикой) релятивистская и квантовая механика, что существенно раздвинуло «теоретический горизонт» астрономических исследований.

Общая теория относительности дала возможность модельного теоретического описания явлений космологического масштаба и по сути впервые постановила космологию – эту важную отрасль астрономии – на твердую теоретическую почву. Создание квантовой механики послужило чрезвычайно мощным импульсом развития как астрофизики, так и космогонического аспекта астрономии (в частности, выяснения источников энергии и механизмов эволюции звезд, звездных систем и др.); обеспечило переориентацию задач астрономии с изучения в основном механических движений космических тел (под влиянием гравитационного поля) на изучение их физических и химических характеристик. Выдвижение астрофизических проблем на первый план сопровождалось также интенсивным развитием таких отраслей астрономической науки, как звездная и внегалактическая астрономия.

Наряду с этим существенно совершенствовались и эмпирические методы астрономического познания. Астрономия стала всеволновой, т. е. астрономические наблюдения проводятся на всех диапазонах длин волн (радио-, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны). Появилась возможность непосредственного исследования с помощью космических аппаратов и наблюдений космонавтов околоземного космического пространства, Луны и планет Солнечной системы. Все это привело к значительному расширению наблюдаемой области Вселенной и открытию целого ряда необычных (как правило, неожиданных и во многом необъяснимых) явлений.

Среди этих открытий особенное значение имеют нестационарные процессы во Вселенной:

– обнаружение в конце 40-х годов существования «звездных ассоциаций», представляющих собой группу распадающихся после своего рождения звезд;

– обнаружение в 50-х годах явлений распада скоплений и групп галактик;

– открытие в 60-е годы КВАЗАРОВ - самых мощных из известных сейчас источников энергии, при сравнительно небольших размерах, средний квазар излучает вдвое больше энергии, чем вся наша Галактика, имеющая в поперечнике размер в 100 тысяч световых лет и состоящая из 200 млрд. звезд. Для квазаров характерны и признаки явной нестабильности: переменность блеска и выбросы вещества с огромными скоростями;

– открытие радиогалактик, взрывной активности ядер галактик с колоссальным энерговыделением (около 1060 эрг);

– обнаружение нестационарных явлений в недрах звезд и нестационарных явлений в Солнечной системе (быстрый распад короткопериодических комет, планетарная деятельность (взрывы, выбросы материи в космос) и др.

Кроме того, к выдающимся астрономическим открытиям следует отнести обнаружение: «реликтового излучения, которое является важнейшим аргументом в пользу теории «горячей» Вселенной; «рентгеновских звезд»; пульсаров; космических мазеров на спектральных линиях некоторых молекул (воды, ОН и др.); вероятное открытие «черных дыр» и др.

Контрольные вопросы

1.  Какие науки лежали у истоков расширения и обогащения теоретического фундамента астрономических наук в XX веке?

2.  Какая теория поставила космологию на твёрдую теоретическую почву?

3.  Какая наука послужила мощным импульсом для развития астрофизики и космологии и объяснила переориентацию задач астрономии на изучение физических и химических характеристик космических тел?

4.  Что привело к расширению наблюдаемой области Вселенной и открытию ряда неожиданных и необъяснимых явлений в астрономии?

5.  Перечислите все открытия в астрономии XX века.

2.  Новая астрономическая революция

Попытки объяснить эти и другие новейшие открытия столкнулись с рядом принципиальных трудностей, преодоление которых связано с необходимостью совершенствования методов изучения современной астрономии.

Все это привело к значительному возрастанию количества разрабатываемых астрофизических и космологических моделей, концепций, опирающихся на разные принципы и не связанных пока единой фундаментальной теорией.

На этом фоне интенсивно происходит дифференциация и интеграция знаний о Вселенной. Не только выделяются новые отрасли теоретической и наблюдательной астрономии, но и возникают прикладные отрасли астрономии в связи с успехами космической техники. В то же время возрастает роль общетеоретических принципов, понятий, установок, которые формируются под влиянием математики, физики и других естественных и даже гуманитарных наук. Изменяется роль астрономии в системе научного знания: она сближается не только с естественными и математическими, но и с гуманитарными науками, философией.

По сути, во второй половине ХХ века астрономия вступила в период научной революции, которая изменила способ астрономического познания – на смену классическому пришел «неклассический» способ астрономического познания. Свидетельством этого является радикальная смена методологических установок астрономического познания и астрономической картины мира.

Рассмотрим сначала основные элементы современной астрономической картины мира, а затем методологические установки неклассической астрономии.

3.  Солнечная система.

Планеты и их спутники

Земля – спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся вокруг этого источника тепла и света, делающего возможной жизнь на Земле. Самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небесных объектов кроме Солнца и Луны являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров, которые обращаются вокруг Солнца (радиус его 700 тыс. км., т. е. в 100 раз больше радиуса Земли) на расстояниях, достигающих несколько миллиардов километров. Группа планет вместе с Солнцем составляет Солнечную систему. Планеты хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Они видны только потому, что отражают солнечный свет и кажутся очень яркими, поскольку планеты гораздо ближе к Земле, чем звезды. Но если бы мы перенесли на ближайшую звезду наши самые мощные телескопы, то и с их помощью не смогли бы увидеть эти спутники Солнца.

Кроме планет в солнечную семью входят спутники планет (в том числе и наш спутник–Луна), астероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ветер (поток электронов и ионов, испускаемых в ходе распада на Солнце). Планеты расположены в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля (один спутник-Луна), Марс (два спутника - Фобос и Деймос), Юпитер (15 спутников), Сатурн (16 спутников), Уран (5 спутников), Нептун (2 спутника), Плутон (один спутник). Земля к Солнцу в 40 раз ближе, чем Плутон, и в два с половиной раза дальше, чем Меркурий. Возможно, что за Плутоном есть еще одна или несколько планет, но поиски их среди множества звезд слишком кропотливы и не оправдывают затраченного на них времени. Возможно они будут открыты «на кончике пера», как это уже было с Ураном, Нептуном и Плутоном. Планеты должны быть и около многих других звезд, однако прямые наблюдательные данные о них отсутствуют, а есть только некоторые косвенные указания.

С 1962 года планеты и их спутники успешно исследуются космическими аппаратами. Изучены атмосферы и поверхность Венеры и Марса, сфотографированы поверхность Меркурия, облачный покров Венеры, Юпитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород слагающих поверхность Марса, Венеры, Луны (образцы лунных пород были доставлены на землю и тщательно изучены).

По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс); планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне известно мало, но, по-видимому, он ближе по своему строению к планетам земной группы.

Контрольные вопросы

1.  Чему равен радиус Солнца?

2.  Сколько планет в солнечной системе и в каком порядке они расположены считая от Солнца?

3.  Что кроме Солнца и планет входит в солнечную систему?

4.  Что такое солнечный ветер?

5.  Сколько спутников у планет Марс, Сатурн, Уран?

6.  С какого года началось исследование планет и их спутников с помощью космических аппаратов?

7.  На какие две группы по физическим характеристикам делятся планеты Солнечной системы?

4.  Строение планет

Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Земля имеет жидкую оболочку из воды – гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера-лед в полярных шапках и грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы – дефицит воды на Венере.

Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы строятся главным образом на основании данных о свойствах вещества земных недр. Как и у Земли, в твердых оболочках планет выделяют: кору – самую внешнюю тонкую(10–100 км.) твердую оболочку; мантию – плотную и толстую (1000–3000 км.) оболочку; ядро – наиболее плотную часть планетных недр.

Ядро Земли, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешне (жидкое) и внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000–5000 К. Жидкое ядро, вероятно, есть у Меркурия и Венеры; у Марса его, по-видимому, нет.

Наиболее распространенны в твердом «теле» Земли железо (34,6 %), кислород (29,5 %), кремний (15,2 %) и магний (12,7 %).

Таким образом, планеты земной группы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют средней космической распространенности элементов – очень мало водорода, инертных газов, включая гелий.

Планеты-гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, другие элементы также содержатся в пропорциях соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна, по-видимому, больше тяжелых элементов.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водорода. Температура в центре Юпитера около 30000 К. Химический и изотопный состав Юпитера отражает, по-видимому, состав межзвездной среды, которой она была 5 млрд. лет назад. Вместе с тем Юпитер никогда не был настолько горяч, чтобы в нем могли протекать термоядерные реакции. Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше.

Основными источниками энергии в недрах планет являются радиоактивный распад элементов и выделение гравитационной потенциальной энергии при аккреции и дифференциации вещества, его постепенном перераспределении по глубине в соответствии с плотностью – тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают. На Земле подобное перераспределение еще далеко не завершилось. Такие процессы вызывают перемещение отдельных участков земной коры, деформацию, горообразование, тектонические и вулканические процессы. Причина вулканических процессов в следующем. В верхней мантии существуют небольшие области, где температура достаточна для плавления ее вещества. Расплавленное вещество (магма), выдавливающееся вверх, прорывается через кору, и проходит вулканическое извержение. Судя по характеру поверхности, среди планет земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следует Венера и Марс. При этом важно, что выделяемая Землей тепловая энергия никогда не приводила ее в полностью расплавленное состояние.

Контрольные вопросы

1.  Каким является строение планет?

2.  Что характерно для строения всех планет земной группы?

3.  Какая из планет земной группы лишена атмосферы?

4.  Дефицит чего составляет загадку планеты Венера?

5.  Чем отличаются друг от друга сферические оболочки планет?

6.  В какой последовательности расположены твёрдые оболочки (слои) планет, считая от внешней?

7.  Какова мощность (толщина) внешней оболочки (коры) планет? Мантии?

8.  Какая температура в центре Земли?

9.  Какие планеты-гиганты содержат водород, гелий и другие элементы в той же пропорции что и Солнце?

10.  В недрах, каких планет-гигантов преобладают тяжёлые элементы и горные породы?

11.  Какая температура в центре Юпитера?

12.  Что является источником энергии в центре планет?

13.  Недра какой планеты-гиганта находятся в жидком состоянии за исключением ядра?

5. Происхождение планет

Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого располагалось Солнце. Образование звезд и планетных систем – единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости. Протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превосходила критические пределы. По некоторым данным (присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой мог усилить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Допланетное облако было мало массивным. Если бы его масса превышала 0,15 массы Солнца, она аккумулировалась бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки – протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших и больших размеров, и в относительно короткий срок (10n лет, где по разным оценкам, n = 5–8), сформировались девять больших планет.

В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции (объединения) частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия, кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, которые затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели гетерогенной аккреции, хотя вопрос о разделе вещества допланетного облака на железные и силикатные частицы пока окончательно не решен.

Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты. Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно либо присоединились к этим планетам, либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены за пределы этой зоны вследствие гравитационного взаимодействия планет.

Происхождение систем регулярных спутников (т. е. движущихся в направлении вращения планет по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т. е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.

Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите (возможно из нескольких крупных спутников, которые в конечном счете объединились в одно тело – Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя продолжают обсуждать и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделение Луны от Земли.

Контрольные вопросы

1.  Сколько лет назад возникли планеты?

2.  В какой срок сформировались планеты?

3.  Какая идея образования планет является в настоящее время господствующей?

4.  Какие две системы спутников планет вы знаете и в чём их различие?

6. Химический состав вещества во Вселенной

Для понимания структуры и эволюции Вселенной очень важен вопрос о химическом составе вещества во Вселенной.

Как известно, всякое вещество состоит из атомов. В естественном виде на Земле встречается около 90 разных видов атомов; кроме того, несколько новых видов атомов получено искусственно. Вещество, образованное атомами только одного какого-нибудь вида, называется элементом. Атомы большинства элементов способны объединяться друг с другом или с атомами других элементов, образуя молекулы; конкретные законы такого объединения являются предметом изучения химии. Любое вещественное образование – от самого твердого (алмаз) до газообразного, от органических соединений тела человека до отдаленнейших галактик – представляет собой различные комбинации тех же основных элементов.

Простейший элемент – водород. Его атом состоит всего из двух частиц – электрона и протона. Следующий простейший элемент – гелий, каждый атом которого содержит шесть частиц: два протона и два нейтрона, расположенные в центре, образуют ядро, а два электрона, связанных с ядром электрическим притяжением, вращаются вокруг него по орбитам. Основные различия между атомами обусловлены разным количеством протонов в их ядрах. Сейчас известны все атомы, ядра которых содержат от 1 до 92 протонов. Самым сложным из существующих в природе элементов является уран; ядро его атома включает 92 протона и 140 нейтронов, а вокруг него обращаются 92 электрона. Элементы, имеющие в ядре более 92 протонов и полученные искусственным путем (например, нептуний и плутоний), неустойчивы (радиоактивны) и довольно быстро распадаются. Поэтому они не были найдены на Земле в естественном виде.

При спектроскопическом исследовании астрономических объектов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же элементы. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной. Так, около 90 % всех атомов во Вселенной – атом водорода; остальные – главным образом атомы гелия. Более тяжелые атомы, которые обычны для нашей планеты Земля, составляют во Вселенной лишь ничтожно малую часть. Ясно, что Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распространения элементов во Вселенной. Вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой-то способ синтеза сложных элементов из более легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов – одна из центральных проблем современного естествознания на «стыке» астрономии, химии и физики.