Концепции современного естествознания. Ответы на экзаменационные вопросы

дый год. Иногда дождей не бывает по нескольку лет подряд. Это связано с тем, что во-первых, пассаты уносят водяной пар к экватору, во-вторых, опускающийся в антициклонах воздух нагревается и удаляется от точки росы, в-третьих, над холодными течениями у берегов пустынь неблагоприятна для конденсации стратификация воздуха: внизу у воды он холоднее, чем вверху и над сушей. Конденсация в этих условиях невозможна. В большей части Европы выпадает осадков 500–1000 мм. Заметно увеличивается количество осадков в горах: в Шотландии до 5000 мм, в Норвегии до 3000 мм, на Кавказе до 2800 мм.

Вумеренных широтах зимой, а в полярных странах во все месяцы осадки выпадают преимущественно в виде снега. В Арктике и Антарктике он лежит круглый год. Снег, обладая большой излучательной способностью, содействует выхолаживанию поверхности.

Внастоящее время происходят заметные изменения в атмосфере, связанные с хозяйственной деятельностью человека. Содержание в атмосфере углекислого газа возросло

в1,35 раза, метана – в 2,5 раза. Озоновые дыры, увеличение концентрации парниковых газов, загрязнение воздуха создают глобальные экологические проблемы современности.

101

Тема 7 СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

7.1. Общие представления о Вселенной

Вселенная – это окружающий нас мир, бесконечный в пространстве и во времени. Вселенная стационарна, хотя в ней постоянно происходят изменения. Древние греки применяли термин космос для обозначения всего, что находится за пределами Земли. Вселенную в целом изучает астрономия – древнейшая наука о небе. Понятие «Вселенная» включает в себя и Землю, и Солнце с остальными планетами, и звезды, и галактики, и разряженную среду, в которой они находятся. Современная астрономия включает в себя астрофизику, астрохимию, радиоастрономию. Вселенная – это мегамир, который включает микромир и макромир. Это небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звездные скопления, галактики.

Звезды – гигантские раскаленные небесные тела. Планеты – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг звезды. Спутники (планет) – холодные небесные тела, обращающиеся вокруг планет. Астероиды – небольшие холодные небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют диаметр от 800 км до 1 км и менее, обращаются вокруг Солнца. Кометы – небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Галактика – гигантская звездная система, насчитывающая более 100 млрд звезд, обращающихся вокруг ее центра. Галактики образуют метагалактику – совокупность галактик.

Современные представления о возникновении метагалактики основываются на пяти экспериментальных наблюдениях1:

1.Исследование спектральных линий звезд показывает, что метагалактика в среднем обладает единым химическим составом. Преобладают водород и гелий.

2.В спектрах элементов далеких галактик обнаруживается систематическое смещение красной части спектра. Величина этого смещения возрастает по мере удаления галактик от наблюдателя.

1 Подробнее см.: М.К. Гусейханов, О.Р. Раджабов. Концепции современного естествознания. М., 2007, с. 291–292.

102

3.Измерения радиоволн, приходящих из космоса в сантиметровом и миллиметровом диапазонах, указывают на то, что космическое пространство равномерно и изотропно заполнено слабым радиоизлучением. Спектральная характеристика этого излучения соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре около 2,7 градуса Кельвина.

4.По астрономическим наблюдениям, крупномасштабное распределение галактик соответствует постоянной плотности массы (0,3 бариона1 на каждый кубический метр).

5.Анализ процессов радиоактивного распада в метеоритах показывает, что некоторые из этих компонентов должны были возникнуть от 14 до 24 миллиардов лет назад.

При изучении Вселенной приходится иметь дело со сверхбольшими расстояниями, для измерения которых ис-

пользуются специальные единицы:

• Астрономическая единица (а.е.) соответствует расстоянию от Земли до Солнца – 150 млн км. Например, рассто-

яние от Солнца до Плутона – 40 а.е.

• Световой год – расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300000 км/с, проходит за один год, – 1013 км. В световых годах определяют расстояние до звезд,

находящихся за пределами солнечной системы.

• Парсек (пк) – расстояние, равное 3,3 светового года. Используются и более крупные единицы – килопарсек

(кпк) – 103 пк, мегапарсек (Мпк) – 106 пк.

Первые знания о Вселенной были получены мыслителями Древнего мира (Индия, Китай, Египет, Древняя Греция). Аристотель выдвинул идею геоцентрического строения Вселенной. Он считал, что Земля и все небесные тела шарообразны. Живший в III в. до нашей эры греческий астроном Аристрах Самосский считал, что Земля обращается вокруг Солнца. Птолемей утверждал, что вокруг шарообразной Земли движутся Луна, Меркурий, Венера и др.

В течение многих столетий геоцентрическая система считалась единственно верной. Только Возрождение разрушило это представление и положило начало гелиоцентризму.

Гелиоцентрическая система связана с именем Н. Коперни-

1 Барион – общее название элементарных частиц, входящих в группу самых тяжелых элементарных частиц, которую образуют нуклоны (протон и нейтрон) и гипероны. Всего барионов 16: нейтрон, протон, лямбдачастица, три сигма-частицы, две кси-частицы и соответствующие им античастицы.

103

ка (XV в.), учение которого имело революционное значение для последующего развития науки. Путем сложных математических расчетов Коперник доказал, что Земля только одна из планет, а все планеты обращаются вокруг Солнца.

С изобретением телескопа Галилео Галилей (первая половина XVII в.) доказал, что вращение присуще не только Земле, но и другим небесным телам. Немецкий ученый И. Кеплер сформулировал законы движения тел в Солнечной системе.

Современная астрономия занимается изучением эволюции Вселенной, которое основывается на следующих принципах:

1.Универсальные законы (физические) действуют во всей Вселенной.

2.Результаты астрономических наблюдений распространяются на всю Вселенную.

3.Истинными признаются лишь те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя.

Вселенная – это весь материальный мир, безграничный

впространстве и развивающийся во времени. Современная космология основывается на эволюционном подходе к проблеме возникновения и развития Вселенной. разработана

модель расширяющейся Вселенной.

Анализируя результаты наблюдений Галактик и реликтового излучения, астрономы пришли к выводу, что распределение вещества во Вселенной является однородным и изотропным, т.е. не зависит от положения и направления в пространстве.

Математическая теория (космологическая модель) однородной Вселенной, в которой по всем направлениям свойства одинаковы, была построена А.А. Фридманом в прошлом веке в середине 20-х гг. на основе теории тяготения А. Эйнштейна, которая соединила принцип постоянства скорости света и принцип независимости физических законов от состояния прямолинейного и равномерного движения.

Согласно теории относительности (релятивистской теории), скорость тела не может быть произвольно большой. Любое тело нельзя разогнать до скорости света.

Сходство сил инерции и сил тяготения дало Эйнштейну ключ к построению новой теории – общей теории относительности. При этом закон всемирного тяготения Ньютона

104

следует из общей теории относительности как приближение, справедливое в случае слабых гравитационных полей. Эйнштейн вывел фундаментальные уравнения, связывающие распределение материи с геометрическими свойствами пространства, с ходом времени, и разработал статистическую модель Вселенной, которая обладает свойствами:

a) однородностью, т.е. имеет одинаковые свойства во всех точках;

б) изотропностью, т.е. имеет одинаковые свойства по всем направлениям.

Из теории относительности следует, что пространство должно или расширяться, или сужаться. Расширение Вселенной существенно отличается от обычного расширения вещества. Во Вселенной происходит расширение всех масштабов, расширяется само пространство. Вопрос, в какую сторону происходит расширение во Вселенной, теряет смысл. Расширение Вселенной подтверждается красным смещением в спектрах галактик, открытым в 1929 г. Э. Хабблом. Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу.

Закон Хаббла гласит: чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга. Это означает, что в настоящее время Вселенная расширяется. Закон Хаббла позволяет оценивать расстояние до галактик, удаленных на огромные расстояния, по измеряемому в их спектрах красному смещению линий. Величина красного смещения измеряется отношением измененной частоты излучения к первоначальной. Закон расширения Хаббла указывает на то, что когда-то вещество во Вселенной находилось в условиях очень больших плотностей. Расчеты показали, что 13–15 млрд лет назад материя нашей Вселенной была сконцентрирована в малом объеме, около 10–33 см3, и имела огромную плотность – 1093 г/см3 при температуре 1027 К.

К числу сравнительно недавно открытых космических объектов относятся квазары, нейтронные звезды, черные дыры.

Квазары – мощные источники космического радиоизлучения, которые были обнаружены в начале 60-х гг. XX века. Квазары отличаются от обычных галактик тем, что в спектрах наблюдается значительно более сильное излучение в инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Квазары по

105

многим своим свойствам напоминают активные ядра галактик. Квазары весьма удаленные объекты. Галактики расположены ближе, чем квазары.

Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов. Это очень маленькие, сверхплотные небесные тела. Диаметр не больше нескольких десятков километров, масса примерно равна массе Солнца. При сверхвысоких плотностях вещество почти полностью состоит из свободных нейтронов с небольшой примесью протонов и электронов. Отсюда название «нейтронные звезды». Нейтронные звезды были открыты в 1968 году.

Черные дыры – самые загадочные объекты во Вселенной. Установлено, что черные дыры должны возникать в результате очень сильного сжатия какой-либо массы, при котором поле тяготения возрастает настолько сильно, что не выпускает ни свет, ни какое-либо другое излучение. Для того, чтобы преодолеть тяготение и вырваться из черной дыры, потребовалась бы скорость большая скорости света, а такой скорости, согласно теории относительности, не может быть. Ученые считают, что черные дыры могут возникать в конце эволюции достаточно массивных звезд. Поиски черных дыр во Вселенной проводят по их сильному полю тяготения.

7.2. Галактики

Вселенная – огромное количество галактик. Галактика (от греч. galaktikos – молочный, млечный) – звездная система, образованная звездами различных типов, звездными скоплениями. Кроме звезд в состав галактик могут входить газовые, пылевидные туманности. Состав галактик зависит от их возраста и условий развития. Скорость движения галактик – около 1000 км/с. Среднее расстояние между галактиками 2 млн световых лет. Яркие звезды, видимые невооруженным глазом, – наиболее близкие к нам объекты Галактики.

Галактик – миллиарды и в каждой из них – миллиарды звезд. Галактики образуют метагалактику (Вселенную), размеры которой оцениваются в 15–20 млрд световых лет,

авозраст – в 13–15 млрд лет.

В60-х гг. XX в. были открыты квазары – квазизвездные радиоисточники – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной. Многие астрономы склоняются к мысли,

106

что в центре квазара может располагаться сверхмассивная черная дыра с массой в сотни миллионов солнечных масс. Такая черная дыра должна «втягивать» в себя окружающий газ, и этот процесс может сопровождаться выделением большого количества энергии. Квазары по многим своим свойствам напоминают активные ядра галактик, а значит, процесс образования галактик продолжается.

Галактики различаются по форме. Их классифицируют как спиральные, эллиптические, шаровые, неправильные.

Ближайшая к нам галактика – Туманность Андромеды, самая яркая в северном полушарии неба. Расстояние до нее составляет более 2 млн световых лет. Туманность Андромеды похожа на нашу галактику, но превосходит ее по массе и размерам. Наблюдения различных объектов в Туманности Андромеды позволяют лучше понять природу галактик, и нашей Галактики в частности. Наша Галактика – это звездная система, в которую входят все звезды, видимые в созвездиях, и все звезды Млечного пути. Всего в галактике более 100 млрд звезд. Солнце, вокруг которого вращаются планеты, в том числе и наша Земля, является одной из таких звезд.

Пылевые туманности образованы из очень мелкой космической пыли. Космическая пыль препятствует прохождению света от звезд, поглощая его. Предполагают, что она возникает в процессе сгущения межзвездного газа, который в низких концентрациях имеется в большей части межзвездного пространства, а в отдельных местах образует скопления – газовые туманности.

Большая часть нашей галактики сконцентрирована в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. Линейные размеры ядра галактики оцениваются в 4000 световых лет. Скорость движения солнечной системы вокруг центра галактики – около 250 км/с. На один оборот требуется около 200 млн лет.

Звезды – это самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов. Солнце – ближайшая к нам звезда. По своей природе звезды родственны Солнцу. Спектры звезд показывают, что они состоят из атомов тех же химических элементов, что и тела на Земле. Преобладает водород и гелий. Водород – около 50 % по массе, гелий – около 40 %. Вещество звезд представляет собой раскаленный газ.

Звезды различаются по массе, размерам, плотностям, светимостям и химическому составу. Массы звезд опреде-

107

ляются на основании закона всемирного тяготения. Чаще всего масса звезды измеряется в единицах массы Солнца, которая составляет около 2 · 1030 кг. Массы почти всех звезд находятся в пределах от 0,1 до 50 масс Солнца. Размеры большинства наблюдаемых звезд составляют сотни тысяч

имиллионы километров. Встречаются и очень маленькие звезды – белые карлики и нейтронные звезды (диаметр 10–20 км). Различаются звезды и по светимости. Для большинства наблюдаемых звезд она находится в пределах от нескольких тысячных долей до миллиона светимостей Солнца.

Вещество звезд содержит те же элементы, которые встречаются на Земле. Около 98% массы звезд приходится на водород и гелий.

По физическим свойствам вещества все известные звезды разделяют на три категории: нормальные звезды, белые карлики и нейтронные звезды.

Кнормальным относятся большинство наблюдаемых звезд. Они состоят из идеального газа. Его давление прямо пропорционально температуре и обратно пропорционально объему.

Белые карлики – очень маленькие и очень плотные звезды. Светимость в несколько тысяч раз меньше светимости Солнца. Средняя плотность примерно в 1 млн раз превышает плотность воды. Белые карлики устойчивы, если их масса не превышает 1,4 массы Солнца.

Вещество нейтронных звезд обладает очень большой плотностью, при которой не могут существовать даже атомные ядра.

Оно состоит в основном из электрически нейтральных элементарных частиц – нейтронов. Наблюдаемые с Земли звезды имеют различный цвет: голубоватый, белый, желтый, оранжевый и красный, что определяется температурой их поверхности. Температура голубоватых – десятки тысяч градусов, белых – порядка 103 К, желтых (как и Солнце) – около 6000 К, а красных – 3000 К. В центре звезды температура достигает десятков миллионов градусов. Тепловое

исветовое излучение звезд поддерживается превращением водорода в гелий. Различают несколько типов звезд: гиганты, карлики, одиночные, двойные и кратные. Встречаются звезды в миллионы раз больше Солнца по объему. Звездыкарлики имеют небольшие размеры. Различают белые и красные карлики. Красные карлики по диаметру меньше Солнца в 10 раз.

108

Различаются звезды и по плотности: чем больше звезда, тем меньше ее плотность. Двойные звезды – пары звезд, связанные в одну систему силами тяготения. Изучать двойные звезды начал английский астроном В. Гершель в конце XVIII века и начале XIX века продолжил русский астроном В.Я. Струве. Системы, состоящие из трех и более звезд, называются кратными звездами. Переменные звезды – это звезды, которые меняют свой блеск. Звезда становится то ярче, то слабее. У одних звезд блеск меняется периодически, у других – более или менее периодически, у третьих – хаотически. Общее число обнаруженных в Галактике переменных звезд – около 40000.

Переменные звезды делятся на три больших класса: пульсирующие, эруптивные (взрывные) и затменные. Пульсирующие звезды обладают плавным изменением блеска. Оно обусловлено периодическим изменением радиуса и температуры поверхности. При сжатии звезды температура возрастает.

Второй класс переменных звезд – взрывные (эруптивные). Пульсирующие и эруптивные звезды называются физическими переменными звездами, поскольку изменения их блеска вызваны физическими процессами.

К третьему классу относят затменные переменные звезды. Это двойные системы, плоскость орбиты которых параллельна лучу зрения. При движении звезд вокруг общего центра тяжести они поочередно затмевают друг друга, что и вызывает колебания их блеска. В Галактике известно около 4000 таких звезд. По наблюдениям переменных звезд в различных звездных системах можно определить возраст этих систем.

Новые звезды – звезды, излучение которых внезапно увеличивается в тысячи раз, а затем медленно уменьшается. Новые звезды заметно отличаются друг от друга как по мощности вспышки, так и по скорости уменьшения блеска. Все новые звезды при вспышке выбрасывают газ, который разлетается с высокими скоростями. Ежегодно в Галактике обнаруживается две новые звезды. Большинство новых звезд нельзя наблюдать из-за большой удаленности и поглощения их света галактической пылью. Вспышка новой звезды происходит в результате резкого ускорения термоядерных реакций горения водорода на поверхности белого карлика. Водород попадает на поверхность белого карлика вместе с газом, перетекающим с поверхности нормальной звезды. Исследованиями установлено, что в нашей Галактике ежегодно

109

происходит около 100 вспышек новых звезд. Вспышки являются следствием нарушения устойчивости звезды, вызванного внутренними причинами, сущность которых пока не ясна. Иногда наблюдаются вспышки сверхновых звезд, но это явление крайне редкое. Последней такой звездой была звезда, которую наблюдал Кеплер в 1604 году.

Нейтронные звезды – звезды, состоящие из нейтронов. Они чрезвычайно плотные и очень малы – имеют в поперечнике около 10 км.

Около некоторых звезд обнаружены невидимые спутники малой массы. Есть основания предположить, что наша планетная система не является исключительным явлением в мировом пространстве. На планетах, окружающих другие звезды, также вероятно существование жизни, и Земля не представляет в этом отношении исключения1. В результате астрономических исследований для множества звезд точно определены положение на небе, их звездная величина и другие характеристики.

Составлены звездные каталоги, в которые занесено около миллиона звезд. Составлены карты звездного неба. Известно, что звезд ярче 21-й звездной величины около 2 млрд. Одна из них – Солнце.

Еще во II веке до н.э. древнегреческий ученый Гиппарх разделил все видимые на небе невооруженным глазом звезды по яркости на 6 групп. Самые яркие звезды назвал звездами 1-й величины, а самые слабые – звездами 6-й величины. Между ними расположены звезды 2-й, 3-й, 4-й и 5-й величины. Точными фотометрическими измерениями установлено, что отношение блеска звезд 1-й величины к звездам 6-й величины составляет 100. Отношение блеска звезд, отличающихся на одну звездную величину, равно 2,512. Этот коэффициент был принят для определения звездных величин небесных светил.

Гиппарх (около 190–125 гг. до н.э.) – основоположник астрономии. Создатель первых математических теорий видимого движения Солнца и Луны и теории затмений. Он правильно определил размеры Луны и ее расстояние от Земли. Гиппарх с большой точностью вычислил продолжительность солнечного года (ошибка составила 6 минут). Ученый составил каталог положений 850 звезд. Гиппарх

1 Концепции современного естествознания. Под ред. Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 138.

110