38. Специальная теория относительности

На смену классической физике, построенной на принципах механики И. Ньютона, пришла новая фундаментальная теория — специальная теория относительности А.Эйнштейна, которая гласит: любой процесс протекает одинаково в изолиро­ваннойматериальной системе, находящейся в состоянии прямо­линейного и равномерногодвижения, т.е. все инерциальные сис­темы отсчета равноправны между собой.Таким образом было преодолено представление об эталонной абсолютной системеотсчета, которую связывали с эфиром, все системы отсчета были признаныравнозначными, не имеющими никаких преиму­ществ друг перед другом, а принципотносительности приобрел всеобщий, универсальный характер. Следствием такогопонимания принципа относительности стало введение в физику понятияинвариантности. Инвариант­ность понимается как неизменность физическихвеличин или свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к дру­гой.Все законы природы неизменны при переходе от одной инерциальной системы кдругой, т.е., находясь внутри инерци­альной системы, невозможно обнаружить,движется она или по­коится. А. Эйнштейн сформулировал также принцип

инвариантнос­ти скорости света, который гласит: скорость света в вакууме независит от скорости движения источника света или наблюда­теля и одинакова вовсех инерциальных системах отсчета. Ско­рость света является предельнойскоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300 000 км/с.

40. Общая теория относительности

Общая теория относительности позволяет рассматри­вать не только инерциальныесистемы отсчета, но любые системы координат, которые движутся покриволинейным траекториям и с любым ускорением.Распространение результатов специальной теории на неинерциальные системыотсчета привело к установле­нию зависимости между метрическими свойствамипространства и времени и гравитационными взаимодействиями, т.е. в зависимостиот гравитацион­ных масс время замедляется или, напротив, ускоряется, а

про­странство искривляется. Общая теория относительности А. Эйнштейнаобъединила в рамках одной концепции понятия инерции, гравитации и метри­кипространства—времени. Выводы общей и специальной тео­рии относительности инеевклидовой геометрии полностью дискредитировали понятия абсолютногопространства и абсо­лютного времени. Оказалось, что признанные классическими

субстанциональные представления не являются окончательными и единственно

верными.

7. Биосфера. Основные функции живого вещества, примеры.

Биосфе́ра (от др.-греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «плёнка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю частьатмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году^[2].

Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера — область распространения жизни на космическом теле. При том, что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане Европы — спутника Юпитера.

Различают 5 основных функций живого вещества нашей планеты:

1. Энергетическая – в основе фотосинтетичекая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция солнечной энергии и ее перераспределение между компонентами биосферы.

2. Газовая –в процессе функционирования живого вещества появляются основные газы – кислород, азот, углекислый газ, сероводород, метан.

3. Концентрационная –проявляется в извлечение и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды (кремний, йод, углерод, кальций, фосфор), благодаря чему концентрация этих элементов в живом веществе в тысячи раз больше, чем во внешней среде.

4. Окислительно–восстановительная – заключается в химическом превращении вещества (соединений железа, марганца и т.д.)

5. Деструкционная – обуславливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества.

Центральным пунктом изучения в теории Вернадского является понятие о живом веществе, т.е. совокупности всех живых организмов. Кроме живого вещества Вернадский выделял еще косное вещество (воздух, вода, минералы). Между живым веществом и косным находятся биокосные вещества (остатки живых организмов, например, навоз).

Отличия живого вещества от косного заключаются в следующем:

1. изменения и процессы в живом веществе происходят быстрее, чем в косных телах, поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического времени, а в неживых телах геологического времени. 1 секунда геологического времени = 100 тысяч лет исторического;

2. в живых организмах существует непрерывный ток атомов: из живых в неживое, и наоборот;

3. только в живых организмах происходят качественные изменения в ходе геологического времени, т.е. эволюция;

4. живые организмы изменяются в зависимости от окружающей среды.

Вернадский выдвинул предположение, что живые организмы сами по себе эволюционируют. Он поставил вопрос: «Есть ли у жизни начало?», накоторый он отвечает в поддерживаемой им концепции вечной жизни о том, что Земля существует вечно, и поэтому жизнь на ней не имеет начала.

Согласно данной теории биосфера выполняет несколько функций:

1) кислородная, т.к. часть биосферы выделяет кислород;

2) почвообразующая;

3) хемосинтезирующая – синтез органических веществ из неорганических, возможный только в бактериях (например, только бактерии способны аккумулировать азот из воздуха);

4) круговорот веществ (атомов) в природе, в котором участвует вся биосфера в целом;

5) структурная – некоторые живые организмы способны изменять облик Земли и т.д.

По Вернадскому работа живого вещества в биосфере может быть выражена в двух основных формах:

- химическая или биохимическая ( I род геологической деятельности );

- механическая ( II род геологической деятельности).

I род геологической деятельности проявляется в обмене веществ внутри живых организмов, в результате которого происходит постоянных кругооборот атомов.

При этом большое значение имеет количество пропускаемых веществ через тот или иной живой организм. По некоторым данным установлено, что через организм человека за всю его жизнь проходит около: 75 т воды, 17 т углеводов, 2,5 т белка, 1,5 т жира.

Сущность II рода геологической деятельности проявляется только в тех экосистемах, где хорошо развит почвенный покров, который позволяет создавать норы, укрытия, т.е. разрыхлять почву.

Вернадский для понимания работы живого вещества в биосфере ввел 3 биогеохимических принципа:

1) биогенная миграция атомов всегда стремится к максимальному значению. Это выражается в способности некоторых живых организмов неограниченно размножаться;

2) эволюция видов в ходе геологического времени ведет к образованию таких организмов, которые увеличивают миграцию атомов;

3) заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества.

Функции живого вещества:

1. Энергетическая функция

Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе и химической энергии при разложении энергонасыщенных ве­ществ, передача энергии по пищевым цепям.

В результате осуществляется связь биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, преимущественно с солнечной радиацией. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. Недаром Вернадский назвал зеле­ные хлорофилльные организмы главным механизмом биосферы.

Поглощенная энергия распределяется внутри экосистемы между живыми организмами в виде пищи. Частично энергия рассеивается в виде тепла, а частично накапливается в отмер­шем органическом веществе и переходит в ископаемое состоя­ние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других горючих полезных ископаемых.

2. Деструктивная функция

Эта функция состоит в разложении, минерализа­ции мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биоти­ческий круговорот, т.е. обусловливает превращение живого ве­щества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы.

Особо следует сказать о химическом разложении горных по­род. «Мы не имеем на Земле более могучего дробителямате­рии, чем живое вещество», — писал Вернадский. Пионеры

жизни на скалах — бактерии, синезеленые водоросли, грибы и лишайники — оказывают на горные породы сильнейшее хими­ческое воздействие растворами целого комплекса кислот — угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Раз­лагая с их помощью те или иные минералы, организмы избира­тельно извлекают и включают в биотический круговорот важ­нейшие питательные элементы — кальций, калий, натрий, фос­фор, кремний, микроэлементы.

3. Концентрационная функция

Так называется избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов веществ для построе­ния тела организма или удаляемых из него при метаболизме. В результате концентрационной функции живые организмы из­влекают и накапливают биогенные элементы окружающей сре­ды. В составе живого вещества преобладают атомы легких эле­ментов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих эле­ментов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность хими­ческого состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты. Наряду с концентрационной функ­цией живого организма вещества выделяется противоположная ей по результатам — рассеивающая. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Напри­мер, рассеивание вещества при выделении организмами экскре­ментов, гибели организмов приразного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рас­сеивается, например, через кровососущих насекомых.

4. Средообразующая функция

Преобразование физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в результате про­цессов жизнедеятельности в условиях, благоприятных для суще­ствования организмов. Эта функция является совместным ре­зультатом рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья био­логического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для живых организмов эле­ментов. Очень важно отметить, что в результате средообразующей функции в географической оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первич­ной атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров. «Ор­ганизм имеет дело со средой, к которой не только он приспо­соблен, но которая приспособлена к нему», — так характеризо­вал Вернадский средообразующую функцию живого вещества.

Рассмотренные четыре функции живого вещества являются главными, определяющими функциями. Можно выделить еще некоторые функции живого вещества, например:

— газовая функция обусловливает миграцию газов и их пре­вращения, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладаю­щая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В про­цессе функционирования живого вещества создаются основные га­зы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др. Хорошо видно, что газовая функция является совокупностью двух основопо­лагающих функций — деструктивной и средообразующей;

— окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, кото­рые содержат атомы с переменной степенью окисления (соеди­нения железа, марганца, азота и др.). При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восста­новления. Обычно окислительная функция живого вещества в биосфере проявляется в превращении бактериями и некоторы­ми грибами относительно бедных кислородом соединений в поч­ве, коре выветривания и гидросфере в более богатые кислоро­дом соединения. Восстановительная функция осуществляется при образовании сульфатов непосредственно или через биоген­ный сероводород, производимый различными бактериями. И здесь мы видим, что данная функция является одним из про­явлений средообразующей функции живого вещества;

— транспортная функция — перенос вещества против си­лы тяжести и в горизонтальном направлении. Еще со времен Ньютона известно, что перемещение потоков вещества на нашей планете определяется силой земного тяготения. Неживое веще­ство само по себе перемещается по наклонной плоскости исклю­чительно сверху вниз. Только в этом направлении движутся ре­ки, ледники, лавины, осыпи.

Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени. Воздавая должное памяти великого основоположника учения о биосфере, следующее обобщение А. И. Перельман предложил назвать «законом Вернадского»:

«Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СО₂, H₂S и т. д.) преимущественно обусловлены живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».

За счет активного передвижения живые организмы могут пе­ремещать различные вещества или атомы в горизонтальном на­правлении, например за счет различных видов миграций. Пере­мещение, или миграцию, химических веществ живым веществом Вернадский назвал биогенной миграцией атомов или вещества.