Л.И. СВЕРЛОВА

РИТМЫ И ЦИКЛЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ: КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

МОСКВА 2003

2

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Глава 1. Ритмо-цикличность динамических систем в современном естествознании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1. Системность как форма структурной организации материи . . . . .5

1.2. Структурные уровни материи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3. Системный подход к изучению ритмо-цикличности динамических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Глава 2. Основные законы развития материального мира . . . . . . . . . . . . . . . 22

Глава 3. Вселенная и ее ритмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

3.1. Эволюция звезд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2. Структурная организация Метагалактики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.Физическая (квантово-полевая) теория строения материи. . . . . . . 47

Глава 4. Солнце, его ритмы и циклы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.1. Эволюция солнечной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.2.Цикличность солнечной активности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 Глава 5. Ритмо – цикличность Земли как планеты солнечной сисетмы . . . . 67

5.1.Эволюция Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.2. Влияние космической ритмо-цикличности на природные процессы Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

5.3.Геологическая история Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.4.Ритмические закономерности формирования рельефа Земли . . . . 92 5.5.Ритмо-цикличность в истории развития морфогенеза . . . . . . . . . . 97 5.6.Ритмо-цикличность в угленосных формациях. . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Глава 6. Биосфера Земли, её ритмы и циклы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.1. Характеристика и состав биосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.2. Происхождение и ритмичность в развитии жизни на Земле . . . . . 116 6.3. Биохимические основы наследственности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Глава 7. Вариации геомагнитоного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.1.Структура и свойства геомагнитного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.2.Спокойные и возмущенные вариации магнитного поля. . . . . . . . . 147

7.3.Связь вариаций геомагнитного поля с внутренними процессами Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

7.4.Пространственная изменчивость геомагнитного поля и ее роль в ориентации биологических объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

Глава 8. Влияние геомагнитных возмущений на биосферу . . . . . . . . . . . . . . 165 8.1.Ритмы геомагнитного поля и биосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165 8.2.Влияние геомагнитных возмущений на биоритмы . . . . . . . . . . . . . 173 8.3.Биологические ритмы в разных природно-климатических зонах . 179 Глава 9. Ритмо-цикличность в изменених климата Земли . . . . . . . . . . . . . . . 196

9.1.Климат Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

9.2.Причины климатической изменчивости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203

9.3.Колебания климата Земли. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209

Глава 10. Законы Естествознания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Бибилиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238

3

ВВЕДЕНИЕ

Естественно-научная картина мира, интегрирующая в единое целое наиболее принципиальные и характерные достижения наук о природе, раскрывается на основе цельного представления о процессах формирования звездной материи, её эволюции и ритмо-циклических взаимодействиях.

Достижения и успехи в изучении биогеофизикохимических процессов Земли, как планеты Солнечной системы, возможны только на основе интегральных представлений об окружающем нас реальном мире, включающем как ритмо-физические процессы окружающей среды, так и их проявления на планете. Системный подход, получивший широкое распространение в современном научном познании, ориентирует исследователя на целосный охват изучаемых процессов и явлений и отслеживания ритмов, циклов при их передаче от крупных системных образований к более мелким, в иерархической последовательности.

Основные законы диалектики научно объясняют формирование ритмоцикличности в развитии материального мира. Ритмика звезд (и её планет) формируется с момента возникновения звезд из холодных газово-пылевых облаков благодаря взаимодействию сил тяготения, электромагнитных и термоядерных сил взаимодействия. На начальной стадии ритмика отрабатывается в процессе вращения звезды вокруг галактического ядра. При достижении стадии стабилизации звезды её ритмы вращения вокруг собственной оси и Галактики становятся более четкими. Такой же путь проходят при полном взаимодействии со звездой и между собой её спутники планеты. У всех космических тел помимо гравитационного, формируется электромагнитное поле, которое защищает его от внешних воздействий. При вращении звезд они периодически оказываются в различных условиях ориентации и напряженности межзвездного магнитного поля, что естественно обуславливает их перестройку, которая проявляется в виде магнитных инверсий. Термоядерные реакции в теле звезды осуществляются при очень высоких температурах. Нагретые газовые массы из недр поднимаются вверх, а холодные, наоборот, опускается вниз. Перенос тепловой энергии из недр на поверхность осуществляется конвекцией. При пересечении границ межзвездного магнитного поля начинается смена знаков магнитного поля на обратное значение – магнитная инверсия. Магнитная инверсия усиливает конвективные движения плазмы внутри звезды, которые на её поверхности проявляется в виде солнечных вспышек, протуберанцев. До больших высот в корону выбрасываются облака плазмы. Мощность энергии вспышек может достигать 10 26 эрг/с. Солнечные пятна имеют обратный знак магнитного поля по отношению к общему магнитному полю Солнца. Пятна, появляющиеся на теле звезды в виде солнечных вспышек до тех пор, пока звезда (Солнце) не примет новую ориентацию магнитного поля.

Так, на фоне ритмов, связанных с движением космических тел вокруг собственной оси и вокруг более крупного образования возникает цикличность в излучении звездной материи в связи с пересечением звездой границ межзвездного магнитного поля и магнитных инверсий в теле звёзд.

4

Таким образом, в процессе эволюции на ритмы Земли накладывались ритмы и циклы солнечно-галактической среды. Эти воздействия были наиболее значимыми на первой стадии развития планеты. Они проявлялись в виде растяжения и сжатия, которые в земной коре вызывали такие процессы как: погружение, осадконакопление, складчатость, поднятие, выветривание и денудацию. В результате складчатости в геосинклиналях погружения сменялись поднятиями, превращались в складчатые горные системы. Большое развитие получил вулканизм.

Постепенно на уровне 2500 километров в теле Земли возник подвижный слой, который под влиянием космических ритмов формирует колебательнопульсационное развитие земной коры, определяющей перемещение материковой, океанической систем и подвижных областей.

Ритмо-цикличность космоса воздействует, прежде всего, на магнитное поле Земли, вызывая геомагнитные возмущения в атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере. Солнечная активность влияет на биосферу не только через изменение геомагнитного поля. Биологически-активным фактором могут быть радиоволны, аэроионы, ионизирующее излучение и Z-излучение солнца. Ритмо-цикличность солнечной активности и геомгнитные возмущения, а также другие биологически активные факторы оказывают существенное влияние и на собственные поля биологических объектов: на проницаемость мембран и на свойства водных систем. Изучение этих воздействий имеет большое значение для оценки санитарноэпидемиологической обстановки и здоровья населения на планете. Ритмоциклическим значениям космоса придается большое значение при изучении естественно-научных отраслей (физической химии, биофизики, биохимии), на основе которых успешно развивается освоение космического пространства.

Вразвитии биосферы большое значение имеет колебание климата Земли.

Внастоящее время учеными рассматривается только антропогенное воздействие на климат. При этом упускается факт, что и до появления человека на планете были значительные колебания климата, о чем свидетельствуют палеоантологические данные.

Автор данной работы в течение ряда лет (с 1965 по 1973) под руководством член-корр. АН СССР профессора доктора геологоминералогических наук А.С.Хоментовского и академика АН СССР

профессора доктора геолого-минералогических наук К.К. Маркова, которым автор выражает глубокую признательность, проводил научные исследования по составлению многоуровневой модели колебаний климата Земли за период 3,5 млрд. лет. Многоуровневая модель колебания климата Земли приведена в 9 главе данной работы. При составлении модели использовались результаты работ Геофизического института АН СССР Е.А.Любимовой, которой произведен расчёт теплового режима всей Земли в целом, с учётом данных о её свойствах и расслоении.

Для проверки знаний у студентов в учебном пособии после каждой главы приводятся тестовые задания.

5

Глава 1 РИТМО-ЦИКЛИЧНОСТЬ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Раскрывается роль системного анализа в формировании ритмоцикличности процессов и явлений материального мира. Приводится взаимосвязь ритмичности в системах двух доминирующих типах связи – по горизонтали и по вериткали. Эти закономерности рассмативаются на всех структурных уровнях материи.

Все виды материи в микро-, мего-, и макромирах обладают сложными внутренними связями, структурой, способностью к изменениям и переходам из одних состояний в другие. Эти переходы осуществляются постепенно, но импульсивно, формируя определенную ритмо-цикличность. Познание ритмоцикличности позволяет предвидеть, составить прогноз изменчивости материального мира в пространстве и во времени в целом, либо отдельных его процессов и явлений.

1.1.Системность как форма структурной организации материи

Понятие системы органически связано с понятием целостности. Для природной системы характерно не только наличие связей и отношений между образующими её элементами, но и неразрывное единство со средой. Чем более сложной является материя, тем разнообразнее её взаимосвязи со средой.

Системный анализ – это совокупность методов и средств исследования сложных, многоуровенных и многокомпонентных систем, объектов, процессов, опирающихся на комплексный подход, учёт взаимосвязей и взаимодействий между элементами системы.

Система (в переводе с греч. – составленное из частей) – это совокупность элементов, находящихся между собой в отношениях и связях, образующих определенную целостность. Например, различным расположением, порядков атома углерода различаются графит и алмаз. Система – это не только материальная сторона мира, но и социальной действительности. Развитие системности имело место в трудах Шеллинга и Гегеля. В XVII-XIX веках в различных специальных науках исследовались определенные типы систем (астрономические, физические, химические, биологические, механические и т.д.). Марксизм сформулировал философские и методологические основы научного познания систем общественного развития.

Материя не существует иначе, как только в бесчисленном множестве конкретных форм структурной организации, каждая из которых обладает многообразием свойств и взаимодействий, сложным строением и является элементом некоторой, более общей системы.

Любая система может быть рассмотрена как элемент системы более высокого порядка, в то время как элементы данной системы могут выступать как элементы системы более низкого порядка.

6

Расположение систем ступенчатым порядком, где каждый низкий уровень является частью систем более высокого уровня, принято называть иерархией. Иерархичность характерна в целом для всех природных систем.

Парадигма (в переводе с греч., буквально – пример, образец) – это образец программ теоретических и методологических разработок, которые используются для проведения конкретных научных исследований. Парадигма является моделью, образцом для решения практических задач. В настоящее время системная парадигма доминирует в современной науке.

Основой существования системы является закономерность: «Связи в системах взаимодействия между элементами внутри должны быть сильнее, чем с внешними по отношению к системе идентичными элементами». В каждой системе имеются морфологические границы и функциональные особенности, которые по ходу развития системы могут не только усложняться, но и упрощаться, не только развиваться, но и деградировать.

Между частями системы, её элементами, складываются внутренние связи. Эти связи раскрывают внутренние процессы, определяющие специфику данной системы, её качественное своеобразие. Внутренние противоречия выступают источником развития данной системы, определяя её сущность. Они получили свое выражение в основных законах развития систем.

Понятие «элемент» означает минимальный, входящий в систему. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе. Вместе с тем он сам может представлять сложную систему. В качестве примера приведем строение биологической системы – нервной клетки организма (нейрон) (рис. 1). Нейрон – это специализированные клетки организма, способные принимать, отрабатывать, кодировать и передавать информацию нервной системе через другие нейроны, а также хранить информацию, реагировать на раздражение, устанавливать контакты с другими клетками организма.

Рис. 1. Строение нервной клетки организма – нейрона.

В системной иерархии существуют два доминирующих типа связи между элементами в системе – по горизонтали и по вертикали.

7

Связи «по горизонтали» – это связи в координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может изменяться без того, чтобы не изменились другие её части.

Связи «по вертикали» – это связи субординации между элементами внутри одной системы и в системной иерархии. Эти связи выражают сложное внутреннее устройство, где одни элементы по своей значимости могут подчиняться другим, более значимым. Вертикальная структура формирует уровенную организацию системы, т.е. иерархию.

Исходным пунктом любого системного исследования является изучение устойчивости, т.е. целостности систем.

Целостность систем означает, что все её составные части, соединясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами. Все природные объекты представляют собой упорядоченные структурированные, иерархически организованные системы.

Вматериальных системах важнейшей закономерностью является

принцип: «чем меньше размеры системы, тем относительно более прочно

связаны между собой её составные элементы».

Вкосмических системах преимущественно действуют гравитационные силы. В макроскопических телах молекулах и атомах к ним добавляется более мощные электромагнитные силы, а в атомных ядрах действуют ещё более мощные ядерные силы, объединяющие протоны и нейтроны. Во многих системах составляющие их элементы продолжают сохранять свои свойства.

Наряду с этими существуют системы с так называемой «интегральной целостностью», в которых все элементы настолько тесно связаны между собой, что их свойства как бы обобществляются. Если эти элементы данной системы рассматриваются вне целого, то они качественно меняются и в отдельных случаях прекращают свое существование. Таковы, например, биологические и общественные системы.

Интегральная целостность присуща и атомным ядрам, но здесь она обусловлена очень большой энергией связи между протонами и нейронами, которые в ядрах постоянно превращаются друг в друга.

Элементарные частицы – электроны, протоны, нейтроны, мезоны и др. – ведут себя как целостное образование во всех известных процессах. С увеличением энергии воздействия на них они не расщепляются, а лишь превращаются из одних видов в другие. Например, возможно возникновение пары электронов – позитронов, мезонов, нуклонов и др., причем среди рожденных частиц могут быть частицы аналогичные сталкивающимся. В мире не существует бесструктурных микрообъектов, которые представляли бы последнюю сущность материи.

1.2.Структурные уровни материи

Материальный мир состоит из бесчисленного множества материальных тел, которые в пространстве находятся в постоянном движении и развитии.

8

Форма существования материи – это единство движения материи во времени и пространстве. Движение – это изменение взаимодействия материальных объектов.

Вмире нет материи без движения, так же как не может быть движения без материи. Движение материи абсолютно, тогда как всякий покой относителен и представляет собой один из моментов движения. Например, тело, покоящееся по отношению к Земле, движется вместе с ней вокруг Солнца, вместе с Солнцем – вокруг центра Галактики. Поскольку мир бесконечен, то всякое тело участвует в бесконечном движении. Качественная устойчивость тел и стабильность их свойств также представляет собой проявление относительного покоя.

Впроцессе развития материи проявляются качественно новые и более сложные формы движения. Но даже механическое перемещение не является абсолютно простым. В процессе развития материи через электромагнитные и гравитационные поля между телами непрерывно происходит движение.

Теория относительности указывает, что «с увеличением скорости движения происходит возрастание массы тел, уменьшаются по направлению движения линейные размеры, убыстряется ритм процессов в телах». «При околосветовых скоростях электроны и другие частицы способны интенсивно излучать кванты электромагнитного поля по направлению движения».

Таким образом, всякое развитие материального мира включает в себя взаимодействие различных форм движения и их взаимное превращение. Движение материи представляет собой процесс взаимодействия противоположностей.

Движение материальной системы включает в себя целостное изменение системы. Оно выступает как процесс развития системы. При восходящем развитии системы (от низшего к высшему) происходит усложнение связей, структуры и формы движения материальных объектов. Нисходящие изменение выражают напротив деградацию и распад системы, упрощение её форм движения. Движение является более общим понятием, чем развитие.

Выделяют следующие основные формы движения:

* в неживой природе – это движение элементарных частиц и полей (гравитационное, электромагнитное, взаимного превращения, движение атомов и молекул); движение макроскопических тел через процессы кристаллизации и изменение агрегатных состояний, движение в космических системах различного порядка;

* в живой природе – биологические процессы в различных системах (биохимические, гормональные электрофизиологические и т.д.);

* в обществе – все социальные изменения, присущие общественным системам различного порядка.

Общей мерой движения является энергия. Все виды энергии в природе, соответствуют различным формам движения. Их можно объединить в 3 основные группы:

- энергия пространственного перемещения тел; - энергия связей и взаимодействий тел посредством различных полей;

- собственная внутренняя энергия, соответствующая массе покоя тела.

9

Впервую группу входит кинетическая энергия поступательного, вращательного, колебательного и других видов движения. Величина энергии зависит от массы и скорости тел, а у фотонов – от частоты колебаний.

Во вторую группу входят все виды потенциальной внутренней энергии материальных систем, представляющие собой различные проявления энергии взаимодействия посредством электромагнитного, гравитационного и ядерного полей.

Втретью группу входит собственная внутренняя энергия каждого объекта, соответствующая его общей массе. Эта энергия находится в частицах

всвязанном состоянии и высвобождается полностью лишь в реакциях превращения пар частиц и античастиц в электромагнитное излучение. Она характеризует огромные внутренние возможности превращений и активных проявлений материй. Материя как бы пронизана энергией, и эта энергия высвобождается при определенных условиях.

Одной из форм движения материи является «жизнь». Жизнь – это форма движения высокоорганизованной материи (белковых тел), содержанием которой является упорядоченный постоянный обмен веществ, энергии и информации внутри организма и с окружающей средой на каждом этапе развития.

Существенной особенностью «живых тел» является накопление информации, саморегуляция и воспроизводство. По существу, «жизнь» – это не одна форма движения, а система форм, в которых наряду с общими признаками есть и много специфических различий. Они проявляются при переходе от уровня организма к популяциям, видам, биоценозам и всей биосфере. Внутри каждой из таких систем существуют свои типы взаимодействий, подчиняющиеся различным законам.

Общественные формы движения включают в себя все типы отношений

вобществе. По сравнению с другими формами они отличаются наибольшей сложностью. Усложняются, прежде всего, информационные связи, специфичные для всех самоорганизующихся систем с управлением. В обществе эти связи становятся необычайно многообразными, в количественном и качественном отношениях.

Между всеми формами движения материи существует взаимная связь. Например, тепловое движение в неживой природе может существовать в очень широком диапазоне температур. Но в живых организмах оно возможно лишь в очень узком температурном интервале. Формы движения способны к взаимным превращениям при строгом выполнении законов, сохранения материи и её основных свойств.

Время и пространство представляют собой совокупность бесчисленного множества пространственно-временных свойств и структур реально существующих материальных систем.

Время характеризует последовательность смены состояний и причинноследственных отношений, любых объектов и процессов.

Пространство как форма существования материи выражает существование, структурность и протяженность любых взаимодействующих объектов и систем.

11

пространственно-временные отношения и свойства предметов и явлений имеют абсолютный характер и находятся в единой системе отсчета.

Важнейшими теоретико-познавательными выводами теории относительности является:

а) подтверждение учения диалектического материализма о пространстве и времени как формах существования материи;

б) развитие теории пространства и времени – соединение пространства и времени в единую форму существования материи и установление конкретной зависимости структуры пространства и времени от распределения движения материи;

в) установление внутренней связи единства ряда сторон материального мира;

г) связь массы и энергии и взаимную обусловленность законов поля тяготения и движения тел;

д) конкретизация и углубление представлений о неразрывности пространства, времени и движения материи.

У советских ученых-физиков о теории относительности выработалась другая точка зрения, которая существенно отличается от теории Эйнштейна. Геометрические свойства реального физического пространства и времени гораздо более сложны, чем это предполагалось Эйнштейном. Математическим отображением этих свойств является не геометрия Эвклида, которую использовал Эйнштейн, а геометрия Римана. Метрика пространства и времени является евклидовой лишь при отсутствии поля тяготения, наличие же поля тяготения приводит к отклонению метрики от эвклидовой.

Характер метрики неразрывно связан с распределением тяготеющих масс и их движением. Связь эта взаимная. С одной стороны, отклонение метрики от эвклидовой обусловлена наличием тяготеющих масс, с другой стороны – движением масс в поле тяготения – отклонением метрики от эвклидовой.

Суть этих процессов: «массы определяют метрику пространства и

времени, а метрика пространства и времени определяет движение материи».

Нерасторжимое единство движения материи с пространством и временем состоит в том, что при движении материи ни пространство, ни время изолировано существовать друг без друга не могут.

В иерархии структурных уровней материи (микро-, мего- и макромиров) каждому уровню свойственны только ему присущие критерии движения, пространства и времени.

Расширение наших знаний о формах и движении материи позволяет решать вопросы о временной эволюции материального мира. Материя, находясь в постоянном движении, в процессе эволюции переходит из одного качественного состояния в другое, что, соответственно, делает неизбежным изменение ее пространственно-временной структуры.

Под «материей» понимается вещество, субстрат, субстанция, содержание, существующие вне нас и независимо от нашего сознания.

По структуре материю разделяют на три основные сферы: неживую, живую и социально-организованную. Неживая материя – это все объекты неорганической природы – от микрочастиц до космических систем во всё

12

возрастающих масштабах бесконечной Вселенной. Живая материя – это всё множество объектов, обладающих способностью к сложным формам отражения, воспроизводству и размножению.

Социально-организованная материя – это все общественные системы

(политическая, экономическая, образовательная, социальная и др.): от человека до общества в целом. Выделение трех указанных важнейших форм материи отражает её историческое развитие во времени, а также степень сложности структуры, связей и форм движения различных систем. Степень сложности возрастает с переходом от неживой материи к живой.

В структурной организации материи выделяют следующие признаки:

-специфические законы движения и взаимодействия объектов;

-совокупность основных свойств, по которым объекты качественно различаются между собой;

-пространственно-временные масштабы;

-степень относительной сложности, возникшей в процессе исторического развития.

В соответствии с этими признаками можно выделить в неживой природе следующие уровни: элементарные частицы и атомные ядра; атомы и молекулы; макроскопические тела; космические системы различного порядка.

В живой природе можно выделить молекулярный уровень жизни, уровень микроорганизмов, клеточный уровень, уровни организмов, видов, биоценозов и всей биосферы.

В социально-организованной материи можно выделить также уровни:

человек (индивидуум), семья, производственный коллектив, социальные группы, классы, государства, формации и общество в целом.

1.3. Системный подход к изучению ритмо-цикличности динамических систем

Под системными исследованиями окружающего нас мира понимается совокупность методов, позволяющих изучать отдельные элементы, предметы и явления окружающего нас мира как части определенного целостного образования. В динамических системах элементы взаимодействуют друг с другом, формируют определённую ритмо-цикличность, обуславливают появление новых свойств, как у отдельных элементов, так и в целом во всей системе.

К системам относят совокупности разнородных объектов, зависящих друг от друга и объединенных в одно целое. Главное, что определяет систему,

– это взаимосвязь и взаимодействие частей в рамках целого. Понятие системы, как и системный метод в целом, формировалось постепенно, по мере того как наука и практика овладевали разными типами, видами и формами изучения развития системных образований. Существуют многочисленные физические, химические, биологические и экологические системы, свойства которых нельзя объяснить свойствами их отдельных элементов.

Отличительный признак систем, заключающийся в наличии у систем центральной совокупности и подсистем, с которыми возникают

13

взаимодействия составляющих их элементов. В последние годы предпринималось немало попыток выявления в динамических системах ритмов в ядре системы и цикличности у подсистем.

Объекты, составляющие систему, взаимодействуют между собой в иерархическом порядке таким образом, что ритмы передаются от центра к периферии и в подсистемах формируют цикличность.

Примером природных систем является строение Галактики, где в центре (созвездие Стрельц) происходят термоядерные процессы. Ритмика этих процессов передается импульсивно-волновым движением звездам, в которых динамические процессы осуществляются циклично. Целосность системы определяется прочностью контактов между отдельными элементами в самом ядре, как в центральной совокупности, так и его связей с подсистемами в иерархическом порядке.

Для лучшего понимания природы систем необходимо рассмотреть сначала их строение и структуру, а затем их классификацию.

Строение системы характеризуется теми компонентами, из которых она образована. Такими компонентами являются: ядро системы, подсистемы, части или элементы системы в зависимости от того, какие единицы принимаются за основу деления. Центральная часть системы – её ядро, а также подсистемы составляют наибольшие части системы, которые обладают определенной автономностью, но в то же время они подчинены и управляются процессами, происходящими в ядре системы. От ядра подсистемы взаимодействуют друг с другом в иерархическом порядке.

Иерархичность характерна для всех природных, социальных, государственных систем.

Вкачестве примера структурной организации системы можно рассмотреть человеческий организм. Центральная система – человеческий мозг, подсистемы: сердечная, нервная, пищеварительная, дыхательная, двигательная и другие.

Всвою очередь подсистемы содержат в своем составе определенные органы, которые состоят из тканей, а ткани – из клеток, а клетки – из молекул. Многие живые и социальные системы построены по такому же иерархическому принципу, где каждый уровень организации, обладая известной автономностью, в то же время подчинен предшествующему, более высокому уровню – мозговому центру. Такая тесная взаимосвязь, взаимодействие между различными компонентами обеспечивают системе как целостному, единому образованию наилучшие условия для существования и развития. Если элементы данной системы рассматриваются вне целого, то они качественно меняются и в отдельных случаях прекращают свое существование. Такие системы называют системами с «интегральной целостностью».

Исходным пунктом любой системы исследования является изучение устойчивости, т.е. целостности систем. Целостность систем означает, что все её составляющие части, соединясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегральными свойствами. Все природные объекты представляют собой структурированные иерархические образования элементов, где отдельные элементы сохраняют свои эмерджентные свойства.

14

Эмерджентностью динамических систем называют совокупность тех специфических взаимосвязей и взаимодействий, благодаря которым возникают новые целостные свойства, присущие только системе и отсутствующие у отдельных её компонентов. В зависимости от конкретного характера взаимодействия между компонентами у подсистем возникают свои эмерджентные свойства: электромагнитные, атомные, ядерные, химические, биологические и социальные. В рамках этих свойств можно в свою очередь рассматривать отдельные системные образования. В принципе к каждому отдельному объекту можно подойти с системной точки зрения, поскольку он представляет собой определенное целостное образование, способное к самостоятельному существованию. Так, например, молекула воды, образованная из двух атомов водорода и одного атома кислорода, представляет собой систему, компоненты которой взаимосвязаны силами электромагнитного взаимодействия. Весь окружающий нас мир, его предметы, явления и процессы оказываются совокупностью самых разнообразных по конкретной природе и уровню организации систем. Каждая система в этом мире взаимодействует с другими системами.

Для более тщательного исследования обычно выделяют те системы, с которыми данная система взаимодействует непосредственно, и которые называют окружением или внешней средой системы. Все реальные системы в природе и обществе являются, как мы уже знаем, открытыми и, следовательно, взаимодействующими с окружением путем обмена веществом, энергией и информацией. Этот обмен имеет импульсивно-волновой характер, поэтому обладает определенной ритмо-цикличностью.

В неорганической природе открытые системы могут обмениваться с окружением либо веществом, как это происходит в химических реакциях, либо энергией, когда система поглощает, свежую энергию из окружения, и рассеивает в ней «отработанную» энергию в виде тепла. В живой природе системы обмениваются с окружением, кроме вещества и энергии, также и информацией, посредством которой происходит управление, а также передача наследственных признаков от организмов к их потомкам. Особое значение обмен информацией приобретает в социально-экономических и культурногуманитарных системах, где он служит основой для всей коммуникативной деятельности людей.

Все материальные системы делятся на основные классы соответственно той форме движения материи, которую они представляют. В связи с этим обычно различают гравитационные, физические, химические, биологические, геологические, экологические и социальные системы. Среди материальных систем выделяют также искусственные, специально созданные обществом, технические и технологические системы, служащие для производства материальных благ.

Системный характер научной теории выражается в самом ее построении, когда отдельные её понятия и суждения не просто перечисляются, как попало, а объединяются в рамках определенной целостной структуры. В этих целях обычно выделяются основные понятия, на основе которых по правилам логики определяются другие – производные, или вторичные, понятия.

15

Внеявной форме системный подход в простейшем виде применялся в науке с самого начала её возникновения. Даже тогда, когда она занималась накоплением и обобщением первоначального фактического материала, идея систематизации и единства лежала в основе её поисков и построения научного знания. Самым значительным шагом в формировании идей системного метода было появление астрономических исследований в области возникновения и развития Вселенной, а также систематики животного и растительного мира еще в 6 веке до нашей эры. В 20 веке развитию системного метода способствовало изучение циклической закономерности солнечной активности, геомагнитных бурь, тектонических движений и извержений вулканов.

Суть системного метода в изучении ритмо-цикличности материального мира заключается в определении ритма ядра динамической системы и деформации ритмов на разных уровнях системной иерархии, которые мы называем циклами. В процессе передачи ритмов происходит их деформация с постепенным затуханием. Однако, на внутреннюю (эндогенную) ритмоцикличность накладывается внешняя (экзогенная) ритмо-цикличность, которая в отдельные моменты глушит внутреннюю ритмо-цикличность, а в другие – синхронные – усиливает за счет возникновения резонансов.

Обращение к математическим моделям позволяет осуществлять долгосрочное прогнозирование и на основе ритмо-цикличности составлять прогнозы многоуровенного развития природных систем.

ВXVI-XIX столетиях описание природы шло по пути изучения структурных уровней организации материи. Основу этой концепции составлял системный анализ изучаемых объектов и логически обоснованный подход к исследованиям.

Системный анализ знаменовал переход от решения хорошо структурированных проблем, когда четко был установлен состав элементов и их взаимосвязь, к слабо структурированным проблемам, когда состав элементов и их взаимосвязь были установлены частично, а причинноследственная связь завуалирована неопределенностью, трудно переводимой на язык математики. Под структурой строения материи понимается расположение элементов в системах, обеспечивающих её устойчивую связь и её целостность.

Концепция изучения структурных уровней организации материи получила свое максимальное развитие в 20-м столетии. По этой концепции все объекты живой и неживой природы можно представить в виде систем, расположенных в иерархической последовательности от элементарных частиц, представляющих первоначальный уровень организации материи, до более высоких уровней организации. В неживой материи иерархия систем прослеживается от атома до галактики и метагалактики, а в живой материи – от одноклеточного организма до многоклеточных организмов.

Михаил Васильевич Ломоносов был первым, кто обратил внимание на структурную организацию земных слоев. Им в 1763 г. была написана работа «О слоях земных».

Чарльз Лайэль в 1825 г. впервые описал некоторые геологические образования Англии и Шотландии. В этой работе он решительно выступил против господствовавшей в то время «теории катастроф». Он утверждал, что

17

усложнению их структурной организации путем нарастающей дифференциации функций и органов».

Всоциальной среде структуризация шла по линии развития общества от первобытнообщинного до капиталистического и социалистического в соответвствии с развитием производительных сил и установлении производственных отношений. В общественных системах их целостность определяется способностью государства управлять экономикой и социальной сферой в пределах своей территории.

Висторико-научном аспекте формирование системности в развитии естественных наук осуществлялось по двум принципам, Первый принцип – синтез матрицы переменных, характеризующих данную систему. Второй принцип – изучение эволюции переменных данной системы во времени.

Форма структурной организации материи, её свойства и законы движения качественно меняются с изменением пространственно-временных масштабов при скачкообразном (волновом) переходе от одного уровня иерархии к другому.

Ритм – это чередование каких-либо элементов, процессов, происходящих

сопределенной последовательностью и частотой. Под циклом понимается совокупность явлений, процессов, периодически повторяющиеся при отсутствии устойчивых временных границ и интенсивности явлений и процессов. Изучение цикличности и ритмичности в природных процессах, их проявление в окружающей нас географической среде и закономерности позволяют предвидеть изменение этой среды в будущем. Ритмичность – одно из наиболее ярких и широко распространенных явлений, присущих природной среде. Начиная с суток, через сезоны года, через десятилетия и столетия к тысячелетиям и миллионам лет ритмы, как четкие периоды циклов, неизменно сопровождают развитие земной оболочки. Ритмы свойственны как явлениям неорганической природы, так и явлениям биологическим. Причём, ритмичность последних, зависит от первых, и неразрывно с ними связана.

Ритмические явления в природе и основанные на них измерения времени относятся к первоначальным основаниям натурфилософии и естественных наук (астрономии, географии и др.). Уже в древности наметился процесс противопоставления линейного (необратимого) и циклического (астрономического) времени.

Вфилософском понимании времени возникли тенденции, с одной стороны, к абсолютизации и субстанционализации времени (Платон, Плотин), а с другой – к рассмотрению его как последовательности движений и событий. Кроме того, стал обособляться и особый психологический подход к проблеме времени (Августин, а затем Кант, Бергсон и др.).

Субстанциональная концепция получила научный статус у И. Ньютона, для которого абсолютное время являлось равномерно и непрерывно, однородно и однонаправленно текущей чистой длительностью, неизмеримым пустым «вместилищем событий»; рассматривалось также и относительное («механическое») время, наблюдаемое и измеряемое с помощью равномерных движении.

Ньютонианское понимание времени обеспечило развитие классической науки, хотя и подверглось коренному пересмотру, когда впоследствии наряду

18

с обратимым механическим временем было установлено необратимое термодинамическое (статистическое) время, а затем в результате теории относительности стало непосредственно изучаться пространство и время гравитационного и электромагнитного полей.

Альтернативная причинно-следственная концепция развивалась Г. Лейбницем; у него время – это порядок последовательности событий и состояний, причем внутренние и внешние взаимодействия тел определяют длительность отдельного явления в ряду. Лейбницианский подход восторжествовал в новейшей науке и был принят диалектическим материализмом, взявшим за основу понятия «время» развитие материальных процессов в целом.

В явной или неявной форме лейбницианское понимание времени использовалось науками о Земле, учитывавшими наряду с астрономическим и механическим временем также эволюционный (линейный) и циклический характер сложных процессов. При этом особое внимание обращалось на различие настоящего («географическое» время) и прошлого («геологическое» время).

Стратиграфическим принципом о возрастной последовательности пластов в разрезе была установлена специфичность геологического времени, которое (в отличие от ньютонианского) неоднородно и неравномерно. Сам факт напластования, т.е. дискретности геологического пространства, обусловливается цикличностью и периодичностью геологических явлений, т.е. своеобразной топологией геологического времени. И именно эти топологические свойства объясняют длительность геологического времени, т.е. его метрическую характеристику, которая устанавливается пока по отношению одного геологического явления к другому. Стратиграфический принцип относительной геохронологии явился едва ли не первой эмпирической альтернативой абсолютному физическому времени. Кроме того, геологические законы фиксировали время, генезис и перемещения геологических тел, тогда как механические законы – лишь время движения физических тел.

Эволюционные идеи XIX в. способствовали появлению в науках о Земле понятия «биологическое время», которое стало учитываться биостратиграфией, палеонтологией, исторической геологией, физической географией и биогеографией. Выявилась специфика метрических свойств биологического времени – деление организмов, их популяций во многом не совпадало с периодами и циклами геологического времени.

Таким образом, была установлена, во-первых, общая относительность биологического времени к физическому и геологическому времени и, вовторых, частная, специальная его относительность, отражающая внутренние закономерности развития органического мира. Итак, физическое, геологическое и биологическое время оказались неадекватными.

К концу XIX в. в науках о Земле наметились две различные тенденции в понимании природного времени. Одна из них, менее явная, была связана с установлением все большего многообразия пространственно-временной специфичности разнородных природных объектов. Другая, служившая основой большинства теоретических построений, стремилась к

19

абсолютизации временных свойств путем редукции их к единому физическому времени, к одной просто субординированной хронометрии.

Действительно, в геологии ведущим стало понятие о биостратиграфических подразделениях и единицах времени. За единое время принималось время образования комплексных биогеологических, биогеоценотических и физико-географических объектов.

Время является весьма сложным феноменом и определяется совокупностью внешних и внутренних факторов развития (взаимодействий многих систем, включая подсистемы и надсистемы) материи.

Время определяется мерой развития и изменения материальных объектов, а мера есть единство качества и количества, причем несомненен примат качественного (топологического) аспекта времени над количественным (метрическим) его аспектом. Топологические свойства времени (его связность, размерность, обратимость, этапность, периодичность, цикличность и другие структурные особенности) обусловливают его метрические свойства

(И.В. Круть, 1975).

С нерелятивистскими процессами связано гравитационное время, которое называют механическим и астрономическим. В рамках последнего, каждое планетное тело обладает своим временем, поэтому земное гравитационное время нельзя отождествлять с механическим временем. Земля является примером нерегулярно идущих часов с эфемеридами своего вращения.

Ядерные, радиоактивные и космохимические процессы в галактиках, звездных системах, включая планеты и их элементы, характеризуются атомным временем. Ядерная (или изотопная) геохронология ограничивается, как правило, геохронометрией – измерением атомного времени геологических объектов; конечно, устанавливаемый таким способом возраст ни в коем смысле не является абсолютным, как его часто называют.

Геохронология же в широком смысле слова в качестве учения о геологическом времени основывается на процессах геологической организации, независимо от того, какие временные шкалы в ней используются (собственно геологические, биологические или физические).

Однако существует и специфическая область знания ядерной хронологии

– дисциплины об атомном времени, его топологических и других свойствах и соотношениях с иными временами (прежде всего гравитационным). Большинство специалистов склонно сейчас считать константы радиоактивного распада практически постоянными.

Структура земного планетного времени выявляется в его ритмичности, которая в широком смысле слова отражает весьма разнообразные колебательные процессы – от простых физических до сложных географогеологических и биологических.

Временной ритм, будучи элементарной структурной единицей времени той или иной системы (ее временным «квантом»), выступает индикатором естественной самоорганизации.

Каждая сложная система обладает своим интегральным ритмом, тогда как другие фиксирующиеся в ней ритмы относятся к надсистемам, к смежным системам или к подсистемам. Там самым временным ритмом фиксируются системообразующие процессы, а сопоставление этих ритмов отражает

20

переходы между системами, их классами и уровнями организации. В этом заключается таксономическое значение временных ритмов как универсальной характеристики сложных природных систем и природного времени.

Изучением ритмов и циклов Вселенной занимались многие ученые еще с глубокой древности. На этапах познания их привлекали внимание суточные, сезонные, годовые и многолетние ритмы. Непосредственную причину этих ритмов они видели в Солнце. Постепенно появился интерес к Луне и её фазам, от которых зависели затмения. Так, уже у древних халдеев были известны периоды «большой» и «малый» Сарос (первый – длительностью 18-19 лет, второй – 9-10 лет), игравшие в их религиозных обрядах, а через них и в жизненном укладе большую роль.

Условия обращения Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли формируют закономерности взаимного положения этих трех небесных тел и большинство природных ритмов Земли. Они приводят к периодической изменчивости в условиях облучения Земли солнечной радиацией и интенсивности приливообразующих сил, что, в свою очередь, влияет на состояние всех элементов географической среды.

Ритмы изменчивости параметров взаимного положения Земли, Солнца и Луны по своему происхождению обладают свойствами «периодов», т.е. возникают в весьма точных пределах времени и каждый – в пределах одной амплитуды по мощности его воздействия на Землю. Они определяют условия охлаждения и потепления высоких широт земного шара, с чем, в свою очередь, связаны некоторые ритмы развития оледенения, а также крупные климатические колебания.

Другой фактор возникновения ритмических природных процессов – это солнечная активность, приводящая к изменению мощности колебаний коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. Один из хорошо известных и изученных циклов солнечной активности – 11-летний, амплитуда которого колеблется от 7-14 лет. Циклы и ритмы, возникающие и повторяющиеся в виде некоторых временных волн, ритмично влияют на биосферу. От ритмичности воздействия космической среды на планету зависит периодичность землетрясений, вулканических извержений, изменений климата на Земле.

Климатические волны, с которыми связано потепление и похолодание в течение ряда лет, приводили то к пересыханию рек и озер, то к наводнениям. В биологическом мире ритмический характер климата проявлялся в изменении ландшафтов. По мере развития цивилизации и повышения уровня знаний человек обращал все большее внимание на ритмичность природных явлений, стремясь научиться их предвидеть и предотвратить неблагоприятные последствия.

Большой вклад в изучение ритмо-цикличности природных процессов внесли работы крупных советских ученых геофизиков А.В. Шнитникова, А.А. Гангнуса, Д.В. Наливайкина, М.В. Стовас и других, которые путём систематизации делали попытки объединения их в единую систему галактической среды.

21

Тестовые задания к главе 1

1. Система – это:

1) совокупность элементов, образующих определенную целостность с устойчивыми границами; 2) совокупность элементов неустойчивых связей с размытыми границами;

3) совокупность хаосогенных структур.

2. Ритм – это:

1) чередование аномального проявления процессов или появление элементов через определенные промежутки времени; 2) чередование каких-либо элементов, процессов с произвольной частотой;

3) хаотическое проявление природных процессов во времени.

3. Цикл – это:

1)колебание интенсивности процессов или явлений;

2)постоянно повторяющиеся колебания активности процесса, в результате которого процесс (тело) возвращается в первоначальное состояние;

3)ритмичные явления и процессы в пространстве.

22

Глава 2

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА

Приводятся законы диалектики, которые объясняют ритмоцикличность динамических процессров: переход количественных изменений в качественные, единства и борьбы противоположностей, отрицания отрицания и развитие материального мира по спирали. Рассмотрены основные категории диалектики: единичное и общее, причина и следствие, необходимость и случайность, возможность и действительность, содержание и форма, сущность и явление, самоорганизация и суперпозиция.

Для понимания сущности законов развития материального мира рассмотрим понятие «закона» вообще. Закон выражает общие, относительно устойчивые и повторяющиеся связи реального мира, которые при наличии соответствующих условий определяют характер, направление и результат развития. Из определения следует, что одним из важнейших признаков закона является относительная устойчивость и постоянство выражаемых им отношений.

Устойчивость и постоянство связей, характеризующие закон, проявляются в его повторяемости, при наличии соответствующих условий.

Различают законы природы и законы общества. Законы природы существуют более длительное время, чем законы общества. Изучив законы природы и различные условия, в которых они проявляются и действуют, человек получает возможность управлять естественными природными процессами. Познав законы развития общества, люди могут влиять на ход исторических событий.

Законы диалектики

Фридрих Энгельс в 1886 году издал свой труд под названием «Диалектика природы», который посвятил разработке важнейших проблем в развитии естественных наук. Изучение истории развития естествознания и философских подходов к объяснению существования материи, позволили ему обосновать существование ряда законов, которые были названы законами диалектики.

К ним относятся: закон единства и борьбы противоположностей; закон перехода количественных изменений в качественные; закон отрицания отрицания, закон , закон о развитии материального мира по спирали. Законы диалектики конкретны, проявляются через частные законы развития конкретных процессов и явлений.

Закон перехода количественных изменений в качественные

«Движение и изменение в природе и обществе представляют собой не только перемещение, но и количественный обмен энергией между телами, приводящие к качественным преобразованиям материи, её развития, возникновения нового еще не бывшего».

Всякое вещество, всякое явление на определенном этапе развития обязательно наделено определенными количественными значениями и

23

качественными характеристиками. Стоит количественным изменениями выйти за пределы границ системы, как они превращаются в качественные. Такое превращение или переход от одного качества к другому принято называть скачком. Ещё в древности греческие философы обратили внимание на то, что незначительные изменения до поры до времени остаются незаметными. Постепенно накапливаясь, они могут привести к качественно новому содержанию.

Так, образование Земли шло в русле единого процесса, вызвавшего химическую дифференциацию недр и возникновение атмосферы и гидросферы. Переход от неживого к живому осущетсвлялся после того, как взникла система обмена веществ, энергии между молекулами наорганической природы и началась биохимическая эволюция, догстигшая на современном уровне высочайшего развития.

Рис. 2. Переход количества в новое качество распадающегося радиоактивного атомного ядра Урана (по периодической системе В.И. Менделеева).

Качественное разнообразие мира, достигшее в настоящее время совершенства, не является застывшим раз и навсегда, оно подвижно. И по мере увеличения или уменьшения количественных изменений, изменяются и качественные характеристики природных систем.

Пример, под влиянием потока нейтронов многие элементы становятся радиоактивными и начинают испускать и -лучи. При каждом превращении атом, выбрасывающий -частицу сдвигается по таблице Менделеева влево в клетку с номером, меньшим на две единицы, а атом, выбрасывающий - частицу на одну клетку вправо. При этом с элементом происходят такие глубокие изменения его химической природы, которая в конечном итоге (рис. 2) соответствуют перемещению элемента из 92 клетки – место Урана – в 82 – где находится свинец. Десяти потерянным положительным зарядам

24

соответствуют десять номеров периодической системы. При потере и - частиц атом урана побывает в десяти клетках двух последних рядов таблицы Менделеева, пока не превратиться в устойчивый атом свинца.

Одно атомное ядро Урана (92) распадается на атомное ядро Брома (35) и Лантана (57), осколки при этом расщеплении другого могут оказаться атомными ядрами Криптона (36) и Бария (56) и т.д.

Закон единства и борьбы противоположностей

«В природе, обществе и мышлении постоянно происходит разделение систем на противоположные начала. Вместе с тем они представляют собой единство (противоположностей). Противоположности не просто существуют, а находятся в состоянии постоянного противоречия борьбы между собой. Борьба противоположностей составляет внутренние содержание и является источником развития материального мира».

На эту закономерность обратил внимание древнегреческий ученый Гераклит (544-483 год до н.э.).

Этот закон раскрывает источники, устанавливает действительные причины вечного движения и развитие материального мира.

Рис.3. Структура кристалла поваренной соли (хлористого натрия).

(Маленькие шары – атомы натрия, большие – атомы хлора.)

В любом процессе и явлении можно найти положительное и отрицательное. В математике – плюс и минус, вовлечение в степень и извлечение из корня, дифференцирование и интегрирование. В физике – положительные и отрицательные заряды, в механике – притяжение и отталкивание. В химии – анализ и синтез химических веществ. В биологии – ассимиляция и диссимиляция, наследственность и изменчивость, жизнь и смерть и т.д. Обобщение повседневных жизненных наблюдений опытных фактов, полученных в различных науках показало, что явлениям действительности присущ полярный характер.

Противоположными называют такие свойства предметов, явлений и процессов, которые в шкалах (от и до) занимают самые крайние места.

Примеры противоположностей. Верх – низ, правое – левое, сухое – мокрое, потепление – похолодание климата. Под диалектическими противоположностями понимаются такие стороны, тенденции того или иного изменяющегося предмета, явления или процесса, которые одновременно

25

взаимоисключают и взаимопредполагают друг друга. Диалектическим противоположностям присуще единство и взаимосвязь: Они взаимодополняют друг друга, взаимно проникают и взаимодействуют между собой. Отношения между диалектическими противоположностями всегда носят характер поступательного развития. Они способны переходить одна в другую, меняться местами и являются источником развития.

Возьмем кристалл поваренной соли NaCl (рис. 3). Химическая формула свидетельствует, что вещество построено из одинакового числа атомов натрия и хлора. Атомов хлористого натрия в природе нет. Вещество хлористого натрия построено из молекул NaCl. Кристаллы каменной соли состоят из чередующихся вдоль осей куба атомов натрия и хлора. При кристализации благодаря электромагнитным силам каждый из атомов в структуре кристалла стремится занять свое место. Так, в неорганическом мире проявляется закон единства и борьбы противоположности.

Переход количественных изменений в качественные в природной среде происходил на основе жесткой конкурентной борьбы за существование. Постепенно образовывались все более сложные и упорядоченные формы живого существа. В истории биосферы были «зигзаги», но они никогда не переходили в стадию деградации, поворота движения вспять.

В единстве и борьбе противоположностей шел процесс биологической эволюции планеты:

появление простейших клеток – прокариотов; появление более высокоорганизованных клеток – эукариотов;

объединение клеток эукариотов с образованием многоклеточных организмов с функциональной дифференциацией клеток в организмах; появление организмов с твердым скелетом, открывшее путь к

образованию высших животных; возинкновение у высших животных развитой нервной системы и

формирование мозга, как центра сбора, переработки, хранения информации и управлением на ее основе функционированием и поведением организмов; формирование разума, как высшей формы деятельности мозга;

образование социальной общности людей – носителей разума.

Вершиной развития биосферы стало появление в ней человека. В результате действия закона единства и борьбы проитвоположностей в истоии Земли период геологической эволюции сменился периодом геологобиологической эволюции, а с появлением человека открылся период антропогенеза.

Прогресс общественного развития осуществляется на основе единства и борьбы противоположностей. Среди противоречий общественного развития большую роль играют противоречия в материальном производстве и, прежде всего, между производительными силами и производственными отношениями. Такова суть диалектического закона и борьбы противоположностей. В.И. Ленин закон единства и борьбы противоположностей назвал сутью, ядром диалектики.

26

Закон отрицания отрицания:

«Замена старого новым, отмирающего нарождающимся и есть развитие; а само преодоление старого новым, возникающим на основе старого и называется отрицанием».

Закон отрицания отрицания раскрывает общее направление, тенденцию развития материального мира. В любой области материальной действительности постоянно происходит процесс отмирания старого, отжившего свой век и возникновение нового, передового. К. Маркс указывал, что ни в одной области не может происходить развитие, не отрицающее своих прежних форм существования. Например, развитие земной коры прошло через ряд геологических эпох. Причем каждая новая эпоха возникла на базе предыдущей.

Ворганическом мире каждый новый вид растения или животного, возникая на основе старого, является в тоже время его отрицанием.

История общества также есть цепь отрицаний старых общественных порядков и замена их новыми: первобытного – рабовладельческим, рабовладельческого феодальным, феодализма – капитализмом, а капитализма

–социализмом. Отрицание присуще и развитию познания, науки. Каждая новая, более совершенная научная теория, преодолевает старую, уже устаревшую.

Закон о развитии материального мира по спирали

Взаконах диалектики генеральной линией проходит идея о

поступательности развития. В них, особенности в законе отрицания отрицания, охватываются не отдельные звенья, состояния или переходы, а спиралевидный процесс развития – по восходящей линии развития. Каждый виток спирали не есть простой возврат к пройденному, он ведет все выше и выше, служит началом нового витка, нового диалектического цикла в развитии. Развитие тем самым идет по пути восхождения. Поднимается на все более и более высокую ступень развития. При этом диалектические циклы, витки спирали выступают как взаимно обусловленные, органически связанные между собой этапы развития, как единый и вместе с тем, качественно многообразный процесс.

Движение и изменение разнообразны, противоречивы. Процессам восхождения противостоят процессы нисхождения, прогрессивные тенденции не отделимы от регрессивных. Закономерность поступательного развития не исключает временных отклонений от основных тенденций поступательного движения вперед.

«Прогрессивный характер развития материального мира

характеризуется не как прямолинейное движение, а как чрезвычайно сложный спиралеобразный процесс с определенным повторением пройденных ступеней на более высоком уровне».

Спиралевидный характер развития присущ различным областям действительности, ярким проявлением этой особенности развития является периодический закон химических элементов, открытый Д.И. Менделеевым, а также геологическая история Земли, которая имеет направленно-цикличный, усложняющийся характер. Направленность обусловливается необратимым

27

развитием Земли, а цикличность – проявлением пространственно-временных связей Земли с другими космическими телами и их системами.

Спиралеобразное развитие имеет место и в общественной жизни. Поскольку новое отрицая старое, сохраняет и развивает его положительные черты, развитие приобретает прогрессивный характер.

Категории диалектики Категория: Категории материалистической диалектики являются тем

переходным звеном, через которые законы диалектики входят сферу действительности конкретных наук и формируют понятия категории специальных наук.

В каждой науке вырабатываются критерии. В категориях конкретных наук обобщаются специфические стороны или процессы, происходящие в отдельных областях природы, общества и мышления.

Рассмотрим основные категории диалектики: единичное и общее,

причина и следствие, необходимость и случайность, возможность и действительность, содержание и форма, сущность и явление, самоорганизация и суперпозиция.

1. Единичное и общее Категория единичного отражает характер существования отдельных

элементов в системе.

Категория общего – существование элементов, связанных общими свойствами, общими источниками происхождения. Отдельное (единичное) богаче общего, ибо каждый отдельный элемент, помимо общих признаков, имеет свои индивидуальные (элементарные) свойства.

Вместе с тем, целое (общее) имеет свои элементарные свойства, отсутствующие у его систем, подсистем. Общее формирует между отдельными элементами системы устойчивые функциональные связи. В этом и проявляется их диалектическое единство. Новое обычно возникает не сразу, а в форме единичных явлений, со временем усиливается, расширяется, совершенствуется и приводит к изменению всей системы.

2.Причина и следствие

Под причиной понимается явление, которое при определенных условиях обусловливает изменения. Следствием называется явление, возникшее в данной системе, либо вне её под действием причины. Связь между причиной и следствием носит закономерный характер: данная причина всегда вызывает определенное следствие. Знание закономерностей причинно-следственной связи составляет основу научного познания.

По своему характеру причинные связи могут быть внутрисистемными и внешними по отношению к системе. Причины могут быть главными и неглавными. Главная причина определяет весь процесс в целом, она лежит в основе сущности явлений, а неглавная имеет вспомогательное значение, ускоряя, либо замедляя течение процесса. Причина, породив следствие, или прекращает свое дальнейшее существование или сохраняется и продолжает оказывать дальнейшее воздействие на уже возникшее следствие, изменяя его дальше.

28

3. Необходимость и случайность

Под необходимостью диалектический материализм понимает, факт закономерного развития события, вытекающего из внутреннего развития процессов в системе. Случайностью называется явление, которое вытекает не из сущности и закономерного развития данного процесса, а из его внешних связей и отношений. Необходимость связана с самой сущностью процесса, которым она обусловлена, а случайность является для процесса чем-то побочным, необязательным. Необходимость выступает как один из важнейших признаков закона, проявляясь в действии закона, обязательно пробивает себе дорогу и, в конечном итоге, осуществляется несмотря ни на какие временные препятствия.

4. Возможность и действительность Возможность – определенная предпосылка нового в развитии процессов

и явлений и при соответствующих условиях может стать действительностью. Действительность – уже реализованная, или осуществленная

возможность. Каждая возможность это определенный момент уже развивающейся действительности. Процесса превращения возможностей в действительность и порождение действительностью новых возможностей бесконечен, как бесконечно развитие материального мира.

5. Содержание и форма

Любой процесс, явление или предмет представляет собой диалектическое единство системы, имеющей содержание и форму. Содержание системы включает в себя всю совокупность признаков и процессов, вызванных развитием отдельных элементов и их групп (подсистем). Содержание системы имеет определенную организационную структуру.

Форма – способ существования, материи, выражение её содержания. Она неразрывно связана с содержанием. Например, производительные силы выступают, как содержание способа производственных отношений, а производственные отношения – как форма. Форма выражает определенное содержание, а содержание не всегда оформлено. Новое содержание приобретает новую форму. Форма и содержание противоположны и одновременно тесно связаны между собой. Ведущая роль принадлежит содержанию. Вместе с тем, форма активно воздействует на содержание, ускоряя или замедляя его развитие.

6. Сущность и явление Сущность – это категория диалектики, которая раскрывает внутренне

содержание динамической системы. Явление – внешнее проявление сущности. Категория сущности близка к категорию содержания, но в отличие от нее выделяет из содержания главное внутренне содержание системы. Явление – внешнее, менее устойчивая, чем сущность сторона процесса.

7. Самоорганизация

Понятие самоорганизация означает процессы внутрисистемной упорядоченности, развивающихся материально-динамических, качественно изменяющихся систем. В отличие от понятия организация оно отражает особенности существования динамических систем, развитие которых сопровождается их восхождением на более высокие уровни сложности и системной организации.

29

Самоорганизация систем осуществляется под действием в результате проявления законов диалектики: единства и борьбы противоположностей, отрицания отрицания, перехода количества в новое качество. В биологии самоорганизация прослеживается в наследственной изменчивости, естественном отборе и борьбе за существование, происходящих внутри системы, под действием окружающей природной среды.

8.Принцип суперпозиции

В классической физике большое распространение получил принцип суперпозиции, позволяющий получать результирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. Он справедлив для систем или полей, описываемых линейными уравнениями; очень важен в теории колебаний и волновой теории физических полей. В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находится в состояниях, описываемых двумя или несколькими волновыми функциями, то она может также находится в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.

9.Взаимодействие

Около 60 лет назад считалось, что существует только четыре элементарные частицы – протон, нейтрон, электрон и фотон. Однако с тех пор в течение довольно короткого времени были открыты не только новые элементарные частицы, но и многочисленные процессы их взаимных превращении. Элементарные частицы образуют одно тесное неразделимое сообщество. Существование одной частицы, так или иначе, связано с наличием другой (С.И. Самыгин, 1997).

Для обозначения всех этих многообразных связей физики используют понятие «взаимодействие». Этот термин достаточно конкретный, но, с другой стороны, весьма широкий. Независимо от того, притягиваются ли частицы между собой, отталкиваются или распадаются на другие частицы, – они «взаимодействуют» друг с другом.

Современная физика знает четыре силы, существующие в природе, и, соответственно, четыре типа взаимодействия. Первая, которая порождает так называемое сильное взаимодействие, действует на крайне коротких расстояниях (около 10-15 м) между частицами в атомных ядрах и обеспечивает «склейку» ядер. Другая, более слабая сила (в 1014 раз, чем сильная), вызывающая слабое взаимодействие, также возникает между субатомными частицами (обуславливает бета-распад). Электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз слабее сильного, зато радиус его практически не ограничен. Наконец, гравитация – наиболее слабый вид взаимодействия: его интенсивность составляет всего лишь 10-43 от интенсивности электромагнитного взаимодействия. Это взаимодействие, по-видимому, не играет никакой роли в мире элементарных частиц. Однако не исключено, что его истинное значение нам просто неизвестно.

Итак, весьма отчетливо прослеживаются границы наших сегодняшних знаний. Нам известно много деталей, правил и законов, однако нет еще полной общей картины всех видов взаимодействий.

30

Тестовые задания к главе 2

1.Закон перехода количественных изменений в качественные (укажите правильный ответ).

1) при изменении количества предмет (продукт, процесс) теряет свое качество;

2) при изменении количественных показателей, качество материального объекта не изменяется;

3) при увеличении или уменьшении количества меняется качество материального объекта.

2.Закон отрициния отрицания (укажите правильный ответ).

1)отрицается старое, отжившее, ушедшее в прошлое;

2)преодоление старого новым, возникающим на основе старого;

3)возникновение нового на основе старого.

3. Закон единства и борьбы противоположностей (укажите правильный ответ).

1)в природе противоположности не просто существуют, они постоянно находятся в борьбе между собой;

2)противоположности в природе не существуют;

3)противоположности существуют, но они не находятся между собой в борьбе.

31

Глава 3. ВСЕЛЕННАЯ И ЕЁ РИТМЫ

Раскрывается теория эволюции звездной материи, структурные уровни организации Метагалактики и ритмы Галактики. Главный ритм – вращение Солнца со скоростью 247 км в сек. вокруг галактического ядра (созвездее Стрельца) за 176 млн. лет. Приводится квантово-полевая теория взаимосвязи вещества и энергии.

В основе эволюции Вселенной лежит гравитационная неустойчивость. Сущность этой неустойчивости состоит в том, что по причине всемирного тяготения материя не может быть распределена с постоянной плотностью в сколько угодно большом объеме. С неизбежностью она должна «разбиться» на отдельные конденсации, сгустки. Таким образом, первоначально, почти однородная плазма распадалась на огромные, отдельные конденсации (сгустки), в которых в дальнейшем образовывались галактики. Образование звезд из холодной «диффузной» межзвездной среды, как установлено, продолжается в настоящее время. В результате за миллиарды лет сформировались различные целостные системы: скоплений галактик, галактик, звезд и планет.

Вселенная – это звездный мир, вся окружающая нас природа, бесконечная в пространстве и времени и включающая в себя бесчисленное множество качественно различных форм материи. В доступных современным средствам исследованиях (в масштабах до 3 млрд. световых лет) наблюдается неравномерное распределение вещества во Вселенной.

Никакой конкретный закон существования или структурной организации материи нельзя распространить на всю Вселенную, т.к. материя бесконечна в качественном отношении и её законы не однородны в различных пространственно-временных масштабах.

3.1.Эволюция звезд

Звездная эволюция – это изменение со временем физических характеристик и химического состава звезд. Изучают звездную эволюцию на основе сопоставления физических характеристик множества звезд, находящихся на разных стадиях эволюции.

Первая стадия эволюции – рождение звезд. Этот процесс таинственный, скрытый от наших глаз, даже вооруженных телескопом. Лишь в середине XX века астрономы поняли, что не все звезды родились одновременно в далекую эпоху формирования Галактики, что и в настоящее время появляются молодые звезды. В 60-70-е гг. была создана самая первая теория образования звезд. Позднее новая наблюдательная техника – инфракрасные телескопы и радиотелескопы миллиметрового диапазона – значительно расширила наши знания о зарождении и формировании звезд. А начиналось изучение этой проблемы еще во времена Коперника, Галилея и Ньютона.

Пространство между звездами не пусто. Гигантские скопления и вращающиеся массы газа и пыли образуют красивые, ярко светящиеся облака

32

веществ. Такие облака называются туманностями, и многие из них являются теми самыми местами, где зарождаются новые звезды.

Области с небольшим количеством звезд являются облаками газа и пыли. Когда рядом с облаком межзвездного газа или внутри него нет горячей звезды, газ остается холодным и не светится. Если бы облако содержало только газ, его могли бы и не заметить. Но помимо газа в межзвездной среде в небольшом количестве (около 1% по массе) есть мелкие твердые частицы – пылинки размером около 1 мкм и меньше, которые поглощают свет далеких звезд. Поэтому холодное облако кажется темным «провалом в небесах». Детальное изучение Млечного Пути показало, что очень часто такие «провалы» встречаются в областях звездообразования.

Созданные в 50-е гг. радиотелескопы позволили обнаружить по излучению в линии 21 см атомный водород, заполняющий почти все пространство между звездами.

Это очень разреженный газ: примерно один атом в кубическом сантиметре пространства. Но, поскольку размер Галактики огромен, в ней набирается около 8 млрд. солнечных масс межзвездного газа или примерно 5% от ее полной массы. Межзвездный газ более, чем на 67% состоит из водорода, на 28% из гелия и менее 5% приходится на все остальные элементы, самые обильные среди которых – кислород, углерод и азот.

Межзвездного газа особенно много вблизи плоскости Галактики. Почти весь он сосредоточен в слое толщиной 600 световых лет и диаметром около 100 тыс. световых лет. Но и в таком тонком слое газ распределен неравномерно. Он концентрируется в спиральных рукавах Галактики, а там разбит на отдельные крупные облака, протяженностью в парсеки и даже в десятки парсек, а массой в сотни и тысячи масс Солнца. Плотность газа в них порядком 100 атомов на кубический сантиметр, температура около -200°С.

Астрономы подозревали, что при относительно высокой плотности и низкой температуре, царящей в межзвездных облаках, часть вещества должна объединяться в молекулы. В этом случае, важнейшая часть межзвездной среды недоступна наблюдениям в оптическом диапазоне.

Начавшиеся в 1970 г. ультрафиолетовые наблюдения с ракет и спутников позволили открыть главную молекулу межзвездной среды – молекулу водорода (Н2). А при наблюдении межзвездного пространства радиотелескопами сантиметрового и миллиметрового диапазонов были обнаружены десятки других молекул, порой довольно сложных, содержащих до 13 атомов. В их числе молекулы воды, аммиака, формальдегида, этилового спирта и даже аминокислоты глицина.

Молекулярные облака устроены значительно сложнее, чем знакомые нам облака водяного пара в земной атмосфере. Снаружи молекулярное облако покрыто толстым слоем атомарного газа, поскольку проникающее туда излучение звезд разрушает хрупкие молекулы. Но находящаяся в наружном слое пыль поглощает излучение, и глубже, в темных недрах облака, газ почти полностью состоит из молекул.

Структура облаков постоянно изменяется под действием взаимных столкновений, нагрева звездным излучением, давления межзвездных полей. В разных частях облака плотность газа различается в тысячу раз. Когда

33

плотность облака становится настолько большой, что гравитация преодолевает газовое давление, облако начинает неудержимо коллапсировать. Размер его уменьшается все быстрее и быстрее, а плотность растет. Небольшие неоднородности плотности в процессе коллапса усиливаются и, в итоге, облако фрагментирует, т.е. распадается на части, каждая из которых продолжает самостоятельное сжатие.

При коллапсе возрастают температура и давление газа, что препятствует дальнейшему увеличению плотности. Но пока облако прозрачно для излучения, оно легко остывает и сжатие не прекращается. Большую роль в дальнейшем играет космическая пыль. Хотя по массе она составляет всего 1% межзвездного вещества, это очень важный его компонент. В темных облаках пылинки поглощают энергию газа и перерабатывают ее в инфракрасное излучение, которое легко покидает облако, унося излишки тепла. Наконец, изза увеличения плотности отдельных фрагментов облака газ становится менее прозрачным. Остывание затрудняет возрастающее давление, останавливает коллапс и увеличивает температуру. В будущем, из каждого фрагмента образуется звезда, а все вместе они составят группу молодых звезд в недрах молекулярного облака.

Начало жизненного пути звезд

Превращение плотной части облака в звезду, а чаще – в группу звезд продолжается несколько миллионов лет (сравнительно быстро по космическим масштабам). Новорожденные звезды разогревают окружающий газ и под действием высокого давления остатки облака разлетаются.

Рождение звезды длится миллионы лет и скрыто от нас в недрах темных облаков, так что он практически недоступен прямому наблюдению. Астрофизики пытаются исследовать его теоретически, с помощью компьютерного моделирования. Превращение фрагмента облака в звезду сопровождается гигантским изменением физических условий: температура вещества возрастает примерно в 106 раз, а плотность – в 1020 раз. Колоссальные изменения всех характеристик формирующейся звезды составляют главную трудность теоретического рассмотрения её эволюции. На стадии подобных изменений исходный объект уже не облако, но еще и не звезда. Поэтому его называют протозвездой (от греческого слова «протос» – «первый»). Одно из основных отличий протозвезды от звезды заключается в том, что в протозвезде еще не происходят термоядерные реакции, т.е. в ней нет еще основного источника энергии обычных звезд.

Потом наступает этап быстрого сжатия. В его начале радиус протозвезды примерно в миллион раз больше солнечного. Она совершенно непрозрачна для видимого света, но прозрачна для инфракрасного излучения с длиной волны больше 10 мкм. Излучение уносит излишки тепла, выделяющегося при сжатии, так что температура не повышается и давление газа не препятствует коллапсу. Происходит быстрое сжатие, практически свободное падение вещества к центру облака.

Однако, по мере сжатия протозвезда делается все менее прозрачной, что затрудняет выход излучений и приводит к росту температуры газа. В определенный момент протозвезда становится практически непрозрачной для

34

собственного теплового излучения. Температура, а вместе с ней и давление газа быстро возрастают, сжатие замедляется.

Повышение температуры вызывает значительные изменения свойств вещества. При температуре в несколько тысяч градусов молекулы распадаются на отдельные атомы, а при температуре около 10 тыс. градусов атомы ионизируются, т.е. разрушаются их электронные оболочки. Эти энергоемкие процессы на некоторое время задерживают рост температуры, но затем он возобновляется. Протозвезда быстро достигает состояния, когда сила тяжести практически уравновешена внутренним давлением газа. Но поскольку тепло все же понемногу уходит наружу, а иных источников энергии, кроме сжатия, у протозвезды нет, она продолжает потихоньку сжиматься и температура в её недрах все увеличивается.

Наконец, температура в центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов, и начинаются термоядерные реакции. Выделяющееся при этом тепло полностью компенсирует охлаждение протозвезды с поверхности. Сжатие прекращается. Протозвезда становится звездой.

Формирующиеся и очень молодые звезды часто окружены газопылевой оболочкой – остатками вещества, не успевшими еще упасть на звезду. Оболочка не выпускает изнутри звездный свет и полностью перерабатывает его в инфракрасное излучение. Поэтому самые молодые звезды обычно проявляют себя лишь как инфракрасные источники.

На начальном этапе жизни «поведение» звезды очень сильно зависит от ее массы. Низкая светимость маломассивных звезд позволяет им надолго задержаться на стадии медленного сжатия, «питаясь» только гравитационной энергией. За это время оболочка успевает частично осесть на звезду, а также сформировать околозвездный газопылевой диск. Эволюция же массивной звезды протекает так быстро, что звезда проживает большую часть жизни, окруженная остатками своей протозвездной оболочки, которую часто называют газопылевым коконом. Некоторые из них своим излучением разрушают коконы: наблюдения показывают, что их вещество расширяется со скоростью 10-15 км/с.

Молекулярные облака, эти «фабрики по производству звезд», изготовляют звезды всевозможных типов. Диапазон масс новорожденных звезд простирается от нескольких сотых долей до 100 масс Солнца, причем маленькие звезды образуются значительно чаще, чем крупные. В среднем, в Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд с общей массой около пяти масс Солнца.

Примерно половина звезд рождаются одиночными: остальные образуют двойные, тройные и более сложные системы. Чем больше компонентов, тем реже встречаются такие системы. Известны звезды, содержащие до 7 компонентов, более сложные пока не обнаружены.

Процесс формирования звезд очень сложен и во многом еще до конца не изучен. Известны галактики, богатые межзвездным веществом, но почти лишенные молодых звезд. А в других системах формирование звезд происходит так интенсивно, что напоминает взрыв. Понять, какие причины стимулируют звездообразование или, напротив, приглушают его, еще только предстоит.

36

неизменности надлунного мира в противоположность миру подлунному. Выводу этому, однако, противоречили некоторые давно известные, хотя и нечасто наблюдаемые явления. Изредка на небе появлялись новые звезды: они вспыхивали, иногда достигая необыкновенного яркого блеска, а потом в течение нескольких недель или месяцев полностью угасали.

То, что в старину называли новыми звездами, сейчас относятся к одной из двух важных разновидностей переменных – новым либо сверхновым.

В 1596 году немецкий астроном Давид Фабрициус открыл новую звезду 2-й звездной величины в созвездии Кита. Он некоторое время следил за ней, и, как обычно, новая бесследно исчезла. Но неожиданно в 1609 году Фабрициус опять нашел ее на небе! Так впервые была обнаружена переменная звезда, которая очень сильно меняла свой блеск: иногда становилась невидимой для невооруженного глаза, иногда вспыхивала вновь, но не пропадала навсегда.

Переменные звезды – это звезды, блеск которых меняется. Сейчас в нашей Галактике известно несколько десятков тысяч переменных звезд.

Переменные звезды различаются массой, размерами, возрастом, причинами переменности и подразделяются на несколько больших групп. Одна их них – пульсирующие звезды, яркость которых меняется из-за колебания размеров. К ним принадлежат звезды типа Миры или мириды – красные гиганты, меняющие блеск на несколько звездных величин с периодами в среднем от нескольких месяцев до полутора лет. Среди пульсирующих звезд очень интересны цефеиды, названные так по имени одной из первых открытых переменных этого типа – Цефея.

Цефеиды – это звезды высокой светимости и умеренной температуры (желтые сверхгиганты). В ходе эволюции они приобрели особую структуру: на определенной глубине возник слой, который аккумулирует энергию, приходящую из недр, а потом вновь отдает ее. Звезда периодически сжимается, разогреваясь, и расширяется, охлаждаясь. Поэтому и энергия излучения то поглощается звездным газом, ионизируя его, то опять выделяется, когда при охлаждении газа ионы захватывают электроны, излучая при этом световые кванты. В результате блеск цефеиды меняется, как правило, в несколько суток. Физику пульсации цефеид впервые успешно объяснил в 50-е годы советский ученый С.А. Жевакин.

Кроме цефеид и мирид есть немало других типов пульсирующих звезд. Некоторые из них в противоположность цефеидам принадлежат к самым старым представителям звездного населения. Так, пульсирующие переменные типа RR лиры во множестве встречаются в шаровых звездных скоплениях, возраст которых свыше 12 млрд. лет.

Пульсирующая звезда в определенном смысле подобна колеблющемуся пружинному маятнику; аналогом жесткости пружины при этом является средняя плотность вещества звезды. Звезды эволюционируют: меняются их размеры, а, следовательно, и средняя плотность. Все это отражается на частоте колебаний «звездной пружины».

Пристальное внимание астрофизиков привлекают не только пульсирующие переменные. Так называемые взрывные звезды – пример сложных процессов в двойных звездных системах, где расстояние между

37

компонентами ненамного превосходит их размеры. В результате взаимодействия компонентов вещество из поверхностных слоев менее плотной из звезд начинает перетекать на другую звезду. В большинстве взрывных переменных та звезда, на которую перетекает газ – белый карлик. Если на его поверхности накапливается много вещества, и резко начинаются термоядерные реакции, то наблюдается вспышка новой звезды.

Но и без столь бурных процессов тесная двойная система может быть интересной переменной звездой. Перетекающее вещество не сразу падает на поверхность белого карлика. Если он не обладает сильным магнитным полем, газ образует вокруг белого карлика диск. Этот диск нестабилен, вследствие чего у звезды могут отмечаться вспышки, только менее масштабные, чем у новых, и гораздо меньшие продолжительностью. Такие переменные называют карликовыми новыми или переменными типа U Близнецов.

При внешнем сходстве со вспышкой новой явление сверхновой звезды имеет совсем иную природу.

Особая группа переменных – самые молодые звезды, сравнительно недавно сформировавшиеся в областях концентрации межзвездного газа. Такие звезды впервые обнаружил в XIX в. русский астроном Отто Васильевич Струве в огромном комплексе вокруг туманности Ориона, поэтому их стали называть орионовыми переменными. Нередко они именуются и переменными типа Т Тельца, по одной из известных молодых переменных звезд. Орионовы переменные часто меняют блеск беспорядочным образом, но иногда у них прослеживаются и признаки периодичности, связанной с вращением вокруг оси.

Есть так же два-три десятка звезд, принадлежащих к интересному типу R Северной Короны, характерный признак которого, образно говоря, «вспышки наоборот».

Известны тысячи затменных переменных звезд в двойных системах. Их компоненты, перемещаясь по своим орбитам, временами заходят один за другой. Самая знаменитая затменная переменная звезда – Алголь.

Очень часто геометрическая переменность сочетается с физической. Так, многие красные карлики принадлежат к одному из самых распространенных типов физически переменных – вспыхивающим звездам.

Взрывающиеся звезды

Тот, кто внимательно следит за звездами из ночи в ночь, имеет в своей жизни шанс обнаружить новую звезду, возникшую как бы на пустом месте. Блеск такой звезды постепенно увеличивается, достигает максимума и через несколько месяцев ослабевает настолько, что она становится невидимой, исчезает.

Еще более грандиозное, но чрезвычайно редкое небесное явление, получившее название сверхновой звезды, запечатлено во многих исторических летописях разных народов. Сверхновые звезды – одно из самых грандиозных космических явлений или сверхновая звезда – это настоящий взрыв звезды, когда большая часть её массы разлетается со скоростью до 10000 км/с, а остаток сжимается в сверхплотную нейтронную звезду или в

38

черную дыру. Блеск сверхновой, вспыхивающей тоже вроде бы на пустом месте, иногда достигал такой величины, что звезду было видно даже днем.

Явления новых звезд были обнаружены еще в глубокой древности. В XX в., когда астрономические наблюдения приобрели регулярный характер, стало ясно, что на месте «новых» звезд на самом деле находятся слабые звездочки. Просто внезапно их блеск увеличивается до своего максимума и затем вновь уменьшается до уровня.

Иначе обстоит дело со сверхновыми. Если на их месте до начала вспышки и была заметна звезда, то после вспышки она действительно исчезает, а сброшенная ею оболочка ещё долгие годы наблюдается как светящаяся туманность.

Исследования сверхновых звезд, вспыхнувших в нашей Галактике, затрудняется тем, что эти небесные объекты чрезвычайно редко доступны наблюдениям. За всю историю науки их удалось увидеть всего несколько раз.

Нейтронные звезды

Существование нейтронных звезд предсказал еще в 1932 году советский физик Лев Давидович Ландау, а в 1934 г. работавшие в США Вальтер Бааде и Фриц Цвикки предположили, что эти звезды являются остатками взрывов сверхновых. Естественно, после того как обнаружилась связь пульсаров с остатками вспышек сверхновых, было высказано мнение, что пульсары и нейтронные звезды – это одни и те же объекты.

Открытие пульсаров имело большое значение не только для астрономии. Оно послужило стимулом для развития многих отраслей физики. Изучение пульсаров позволяет исследовать свойства мощных гравитационных и магнитных полей, совершенно недоступных в земных условиях. Высокое постоянство периодов пульсаров дало возможность с большой точностью измерить период вращения Земли.

Карлики

В1924 году, в основном благодаря стараниям английского астрофизика Артура Эддингтона, разработавшего теорию внутреннего строения звезды, компактные спутники Сириуса и Проциона были, наконец, осознаны астрономическим сообществом как реальные представители совершенно нового класса звезд, которые известны теперь как белые карлики. «Белые» – потому что первые представители этого типа были горячими бело-голубыми светилами, «карлики» – потому что у них очень маленькие светимости и размеры.

Внедрах белых карликов плотность может достигать величин 10 10 кг/м3. При таких значениях плотности физические свойства газа существенно меняются и законы идеального газа к нему уже неприменимы. В середине 20-х гг. итальянский физик Энрико Ферми разработал теорию, которая описывает свойства газов с плотностями, характерными для белых карликов. Оказалось, что давление такого газа не определяется его температурой. Оно остается высоким, даже если вещество остынет до абсолютного нуля! Газ, обладающий такими свойствами, получил название вырожденного.

39

В 1926 г. Ральф с успехом применил теорию вырожденного газа к белым карликам. На основании этой теории были сделаны два важных вывода. Вопервых, радиус белого карлика при заданном химическом составе вещества однозначно определяется его массой. Во-вторых, масса белого карлика не может превышать некоторого критического значения, величина которого примерно 1,4 масс Солнца.

Дальнейшие наблюдения подтвердили эти теоретические предпосылки и позволили сделать окончательный вывод о том, что в недрах белых карликов практически нет водорода. Поэтому эти звезды стали называть вырожденными звездами.

Черные дыры

Во Вселенной встречаются еще более загадочные объекты, чем нейтронные звезды. Еще в XVIII в. ученые высказывали предположения о возможности существования во Вселенной тел с огромной силой тяготения, которые притягивают даже испущенный ими самими свет. После создания Эйнштейном общей теории относительности было построено подобное описание таких объектов, названных черными дырами.

Черные дыры образуются в результате падения и сжатия гигантских звезд массой более трех масс Солнца (рис. 4).

Рис. 4. Образование черной дыры в результате падения и сжатия гигантских звездных масс. (И.Д. Новиков)

40

Конец жизненного пути звезд

Большую часть своей жизни звезда находится на так называемой главной последовательности диаграммы цвет-светимость (диаграммы ГерцшпрунгаРессела). В этих диаграммах линии точек, звезды представлены разного возраста, светимости и масс.

Звезды разной массы (рис. 5) к концу жизни приходят к одному из трех состояний: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры.

После «выгорания» термоядерного топлива в звезде, масса которой сравнима с массой Солнца, в центральной ее части плотность вещества становится настолько высокой, что свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется вырожденным, а звезды, из него состоящие – вырожденными звездами.

После образования вырожденного ядра термоядерное горение продолжается в источнике вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда переходит в область красных гигантов на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров – в сотни радиусов Солнца – и за время порядка 10-100 тыс. лет рассеивается в пространстве. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и превращается в белый карлик, в котором силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, обеспечивая тем самым устойчивость звезды (рис. 5).

Рис. 5. Эволюционные треки звезд разной массы.

L - светимость звезды; L - светимость Солнца; Те – температура поверхности звезды.

41

Последовательность прохождения фаз развития звезды, отмеченные на рис.5 характеризуют этапы эволюции звезд и имеют тот же смысл, что и в таблице 1.

Таблица 1 Ритм жизненного цикла эволюционного развития звезды, с массой,

равной 5 солнечным массам (по И.С.Шкаловскому)

В таблице 1 даны сроки прохождения каждого этапа эволюции звезды. Так участку эволюционного трека 1 соответсвует главная последовательность, участку 6 – стадия красного гиганта. Уменьшение светимости на участке 5 связано с затратой энергии на «разбухание» звезды.

Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Если масса звезды больше, давление вырожденных электронов не может противостоять силам гравитации и за считанные секунды происходит катастрофическое сжатие белого карлика – коллапс. По современным представлениям, коллапс может либо остановиться при достижении плотностей порядка 10 17 кг/м 3, когда нейтроны сами становятся вырожденными – и тогда образуется нейтронная звезда; либо

42

выделяемая энергия полностью разрушает белый карлик – и коллапс по сути дела превращается во взрыв.

Большинство нейтронных звезд образуется при коллапсе ядер звезд массой более десяти солнечных. Молодые нейтронные звезды быстро вращаются и обладают сильным магнитным полем. Вращение вместе с магнитным полем создают мощные электрические поля, которые вырывают заряженные частицы из твердой поверхности нейтронной звезды и ускоряет их до очень высоких энергий.

С потерей энергии вращение нейтронной звезды тормозится, электрический потенциал, создаваемый магнитным полем, падает. При некотором его значении заряженные частицы перестают рождаться и радиопульсар «затухает». Это происходит за время около 10 млн. лет, поэтому действующих пульсаров в Галактике должно быть несколько сот тысяч.

3.2.Структурная организация Метагалактики

Окружающий нас мир представляет собой бесконечное множество различных созвездий. Созвездие представляет собой одну из форм системной организации космической материи. Вселенной присуща иерархическая структурность: от ядер атомов до гигантских звездных скоплений.

Критерием целостности неживой системы является: «Система будет целостна в том случае, если внутренняя энергия связей между составляющими её элементами материи будет больше, чем суммарная кинетическая энергия извне». Примером системной целостности может быть метагалактика – крупнейшая структура во Вселенной.

Вкаждой метагалактике насчитывается до 10 000 галактик. Диаметр метагалактики в среднем составляет 50 Мпк. Согласно современным представлением для метагалактики характерна ячеистая структура. Она напоминает «паутинную сетку». Моделью может служить кусок пемзы. В масштабах звезд или звездных скоплений вещество распределено неравномерно, но в масштабах сверхскоплений галактик – практически равномерно. В больших масштабах Вселенную можно считать однородной.

Вметагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным метагалактическим газом, пронизанным космическими лучами, который постоянно, благодаря вращению космических тел находится в непрерывном волновом движении.

По своему внешнему облику галактики разделяются на 3 морфологических типа: элептические, спиральные, неправильные.

Наша Галактика – скопление звезд и газовых туманностей спиралеобразного вида, в одном из рукавов которого вращается Солнце, как рядовая желтая звезда.

Внастоящее время все небо условно разделено на 80 участков, имеющих строго определенные границы. Эти участки и называются созвездиями, причем к данному созвездию относятся все звезды, находящиеся внутри его границ, например, к созвездию Большой Медведицы относятся не только звезды всем известного «ковша», но и много слабых звезд.

43

Принадлежность звезд к тому или иному созвездию определяется лишь тем, что наблюдатель, находящийся на Земле, видит эти звезды по соседству. На самом деле это «соседство» только кажущееся, так как в пространстве звезды находятся на огромном расстоянии друг от друга.

На рисунках 6, 7, 8 приводятся видимые созвездия в средних широтах Земли весной, летом, осенью и зимой. Звезды каждого созвездия обозначены буквами греческого алфавита. Первой из них ( - альфа), обозначают чаще всего самую яркую звезду, а затем следуют звезды, обозначенные буквами ( - бета), ( - гамма), ( - дельта), ( - эпсилон) и т.д.

Рис. 6. Схема взаимного расположения основных созвездий и ярких звезд на небосводе.

Если мы будем в течение года по вечерам наблюдать звезды, то обнаружим, что вид звездного неба в результате вращения Земли вокруг собственной оси и по орбите вокруг Солнца постепенно меняется. В это время мы можем четко наблюдать созвездия: Рыбы (в марте), Овен (в апреле), Телец (в мае), Близнецы (в июне), Рак (в июле), Лев (в августе), Дева (в сентябре), Весы (в октябре), Скорпион (в ноябре), Стрелец (в декабре), Козерог (в январе), Водолей (в феврале).

44

Рис. 7. Ячеистая структура Метагалактики, наблюдаемая со средних широт Земли (весна-лето).

45

Рис. 8. Ячеистая структура Метагалактики, наблюдаемая со средних широт Земли (осень-зима).