Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает химия и каковы ее основные задачи?

2. Какие этапы можно выделить в развитии химии? Охарактеризуйте их.

3. Дайте определением понятиям: атом, химический элемент, молекула, валентность, химическая связь.

4. От чего зависят свойства и реакционная способность веществ?

5. Сформулируйте Периодический закон. В чём причина периодической изменяемости физических и химических свойств элементов?

6. Сколько химических элементов известно в настоящее время?

7. Каковы основные методы управления химическими процессами?

8. В чём суть принципа смещения равновесия ле Шателье? Приведите примеры действия этого принципа в химии и вне химии.

9. Что представляет собой явление катализа?

10. Каковы основные проблемы, достижения и направления развития современной химии?

Глава 5. Космологические концепции

5.1. Модели эволюции Вселенной

Строение и эволюцию Вселенной изучает космология. Первые космологические идеи сохранились до наших дней в виде мифов. Они основывались на астрономических наблюдениях, начавшихся в глубокой древности. Из истории известно о больших успехах жрецов Вавилона, Египта, Индии и Китая в наблюдении за небом: им удалось точно вычислить продолжительность года, повторяемость солнечных и лунных затмений и др. Когда на смену мифологии пришла философия, космологические идеи развивались в рамках различных философских и религиозно-философских концепций.

Во времена Ньютона считалось, что Вселенная бесконечна в пространстве и во времени. Движением и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. На смену погасшим звездам вспыхивают новые. Хотя некоторые детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными и для объяснения причин инерциального движения планет и любых материальных тел Ньютон допускал божественное вмешательство, в целом эта модель казалась стройной и непротиворечивой. Серьезные сомнения в ней появились к концу XIX в. Если предположить, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное количество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то небосвод имел бы такую яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Это парадоксальное утверждение получило название фотометрического парадокса Шезо–Ольберса.

Немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, неизбежно вытекавший из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. В бесконечной Вселенной сила тяготения на данное тело со стороны всех остальных оказывается бесконечно большой или неопределенной, в зависимости от способа вычисления. Так как ничего похожего в космосе не наблюдается, то Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел ограничено и Вселенная не бесконечна.

Фотометрический и гравитационный парадоксы зародили сомнения в пространственной бесконечности Вселенной и заставили А. Эйнштейна в 1917 г. предложить, опираясь на выводы общей теории относительности, модель конечной, но безграничной Вселенной. Мировое пространство, согласно ей, замкнуто и представляет собой четырехмерную сферу, для которой верна не привычная геометрия Евклида, а геометрия Римана. Объем такой Вселенной может быть выражен конечным числом кубометров, но в то же время, двигаясь по ней в одном направлении, мы нигде не встретим границ. В этом смысле Вселенная безгранична, как и поверхность любой сферы.

В 1922 г. советский физик и математик А. Фридман на основании расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизменной. Основываясь на предположении об изотропности и однородности Вселенной, он доказал, что уравнения Эйнштейна имеют нестационарные решения и Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1929 г., когда американский астроном Э. Хаббл с помощью астрофизических наблюдений обнаружил красное смещение спектральных линий далеких галактик. Оно было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. После этого открытия в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной. Ее составной частью является теория Большого взрыва (the big bang theory), впервые предложенная американским физиком Г. Гамовым в 1948 г. Позже она была дополнена инфляционной теорией или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной в начале 80-х гг. американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом и дополненной советским физиком А. Линде.

Экстраполяция процесса расширения в прошлое позволяет оценить вероятное время жизни Вселенной, если считать, что расширение началось из точки. Получается примерно 15 млрд лет. Начало трактуется как большой взрыв. Он сопровождался сначала быстрым, потом умеренным расширением при очень высокой температуре и далее постепенным охлаждением Вселенной. Исходное состояние – сингулярная точка – определяется как сверхплотное и сверхгорячее (температура 10³² ºК, плотность 10⁹⁴ кг/м³). Допуская, что из такого состояния началось внезапное расширение, физики реконструируют историю Вселенной, различая этапы эволюции по характеристикам взаимодействия элементарных частиц. Не вдаваясь в детали физических процессов, представим себе картину в целом, сжав 15 млрд лет в один условный год. Тогда образование галактик датируется 10 января, образование Солнечной системы – 9 сентября, возникновение жизни на Земле – 25 сентября, первые млекопитающие появились 26 декабря, а первые люди – 31 декабря в 22 часа 30 минут.

Остается открытым вопрос, что было до начала расширения Вселенной? В последние годы обсуждаются предположения о том, что Большого взрыва могло не быть и Вселенная расширялась не всегда, а как бы пульсировала между конечными пределами плотности, расширение периодически сменялось сжатием. Доказательства в пользу теории пульсирующей Вселенной имеют пока чисто математический характер.