Концепции современного естествознания. Ответы на экзаменационные вопросы

ввел географические координаты – широту и долготу. Его можно считать основателем математической географии.

В настоящее время разработаны специальные системы звездных величин, соответствующих разным участкам спектра. Солнце является рядовой звездой. Возраст Солнца – 4–5 млрд лет. Скорость движения вокруг оси Галактики – 250 км/с. Расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км (8,3 световой минуты). Диаметр Солнца – 1,4 млн км; что в 109 раз больше земного диаметра. В ядре Солнца сосредоточена большая часть вещества Солнца. Температура внутри Солнца около 10 млн К. Вещество ядра представляет собой плазму, частицы которой находятся в постоянном движении. В результате реакций из атомов водорода образуются атомы гелия и выделяется большое количество энергии. Водородные ядерные реакции – источник солнечной энергии. К настоящему времени Солнце не израсходовало и половины запасов водородного ядерного топлива. Предполагается, что оно будет светить еще миллиарды лет. Конвекция на Солнце напоминает кипение воды. Солнечная атмосфера состоит из нескольких слоев: фотосферы, хромосферы и короны. Фотосфера – тонкий слой атмосферы (200–300 км). Ее температура – 6000 К. За фотосферой следует хромосфера – слой раскаленных газов толщиной 10–20 тыс. км. Корона – внешняя часть атмосферы Солнца. Температура – более 1 млн К. Яркость короны в миллионы раз меньше яркости фотосферы. Размеры короны – более 200 радиусов Солнца. Земля погружена в солнечную корону. На Землю постоянно воздействует так называемый солнечный ветер – поток заряженных частиц.

7.3. Солнечная система

В Солнечную систему входит Солнце, 9 больших планет вместе с их 34 спутниками, более 100000 малых планет (астероидов), около 1011 комет, а также большое количество мелких метеорных тел (поперечником от 100 м до пылинок). Общая масса всех планет Солнечной системы составляет всего 2% от массы Солнца.

Центральное положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса почти в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в систему.

111

Все большие планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон – обращаются вокруг Солнца в одном направлении по почти круговым орбитам. Промежутки между соседними орбитами возрастают с удалением от Солнца. Планеты вращаются также вокруг свой оси. У всех планет, кроме Венеры и Урана, вращение происходит в направлении, что и их обращение вокруг Солнца. Венера, Земля и Марс обладают атмосферами, состоящими из газов, выделившихся из их недр. Измерения возраста метеоритов показали, что они, а следовательно, и вся Солнечная система существуют около 5 млрд лет. Динамические и физические особенности строения Солнечной системы указывают на то, что планеты сформировались из газопылевого вещества, некогда образовавшего протопланетное облако вокруг Солнца.

Существует несколько взглядов на происхождение Солнечной системы. И. Кант считал, что орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности». П. Лаплас, разделяя взгляды Канта, исходил из предположения, что горячая туманность при охлаждении сжималась, в результате чего формировались компактные тела. Американский астрофизик Дж. Джинс предположил (1916 г.), что ка- кая-то звезда прошла близко от Солнца и вызвала «приливные выступы», из которых и возникли планеты. Астрофизик В.Г. Фесенков (1944 г.) предположил, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому. А.А. Маркушевич (1992 г.) предложил кометную гипотезу происхождения планет Солнечной системы. В газопылевой туманности, состоящей из мелких пылевидных частиц и газов – воды и водорода, при понижении температуры газы намерзали на пылинки, увеличивая их размер. Частицы сталкивались между собой. Большие по объему концентрировались в центре туманности, а меньшие оттеснялись на периферию, давая начало планетам. В процессе укрупнения образовались астероиды, кометы, планеты.

Планеты являются крупнейшими после Солнца объектами Солнечной системы. Общая масса планет составляет 448 масс Земли. Ближайшие к Солнцу планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – твердые планеты. Их плотность в 4–5 раз превышает плотность воды. Масса планет не превы-

112

шает 0,002 массы Солнца, а размеры достигают величины порядка 1,5·108 км. Открыто несколько тысяч малых планет (астероидов), размеры которых составляют от нескольких сотен до 1 км и меньше.

Каждую из планет можно охарактеризовать по девяти основным признакам (параметрам)1: 1) расстояние от Солнца; 2) период обращения вокруг Солнца; 3) период обращения вокруг свой оси; 4) средняя плотность (г/см3); 5) диаметр экватора в километрах; 6) относительная масса (масса Земли принимается за единицу); 7) температура поверхности;

8)число спутников; 9) преобладание газа в атмосфере. Ближайшая к Солнцу планета Меркурий состоит из

большого железного ядра, каменистой расплавленной мантии и твердой коры. Поверхность испещрена кратерами и уступами (высотой до 3 км). Атмосфера практически отсутствует. По внешнему виду напоминает Луну. Температура на освещенной Солнцем стороне – до 350 °С. На ночной стороне – до 170 °С.

Венера – вторая по расстоянию от Солнца и ближайшая к Земле планета. Среднее расстояние от Солнца – 108 млн км. Период обращения вокруг Солнца – 225 суток. Ближе любой другой планеты приближается к Земле – до 40 млн км. Диаметр Венеры – 12100 км (95 % диаметра Земли). На долю углекислого газа приходится 97 % всего состава атмосферы Венеры. Кислорода не более 0,1 %. В атмосфере содержится около 0,1 % водяного пара. Температура поверхности Венеры достигает 500 °С. Самые верхние слои атмосферы Венеры почти целиком состоят из водорода. Водородная атмосфера простирается до высоты 5500 км. Венера – планета со сложным рельефом. Спутников Венера не имеет.

Ближайшее к Земле небесное тело – ее спутник Луна. Она обращается вокруг Земли на расстоянии около 400 тыс. км. Диаметр Луны лишь в 4 раза меньше земного и равен 3476 км. Наблюдения Луны с древности играли важную роль в развитии астрономии. Форма края земной тени при лунных затмениях послужила Аристотелю доказательством шарообразности Земли. Г. Галилей первым обнаружил изрезанность лунной поверхности. Первая карта обратной стороны Луны и первый полный лунный глобус составлены советскими астрономами: 7 октября 1959 г. Советская автоматическая

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 143.

113

межпланетная станция «Луна-3», совершив облет Луны, сфотографировала ее обратную сторону. Особенно большое значение для понимания природы Луны имела доставка на Землю образцов лунного грунта. Их анализ доказал полное отсутствие в поверхностном слое Луны органических соединений. Изучение лунного грунта дало возможность установить химический состав лунных пород и их возраст. Возраст Луны и Земли одинаков: 4,5 млрд лет. Луна полностью лишена воды. В отдельных местах лунной поверхности наблюдается истечение газов. Однако Луна лишена атмосферы.

Средняя плотность Луны составляет 3,34 г/см3. Она примерно соответствует плотности верхней оболочки Земли – ее коры. Сила тяжести на поверхности Луны в 6 раз меньше, чем на Земле. Американским космонавтам, совершившим высадку на Луну, пришлось осваивать особые приемы лунной ходьбы, которые назвали «стиль кенгуру».

К газообразным планетам Солнечной системы относятся планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Юпитер – пятая по расстоянию от Солнца и самая большая планета Солнечной системы. Отстоит от Солнца в 5,2 раза дольше, чем Земля. Масса Юпитера равна 318 массам Земли. Спектральные исследования показали, что его атмосфера состоит из молекулярного водорода и его соединений: метана и аммиака. Атмосферный слой имеет толщину около 1000 км. Юпитер имеет 13 спутников. Первые 4 спутника были открыты еще Галилеем.

Сатурн – вторая по величине планета Солнечной системы. Температура поверхности облаков на Сатурне близка к температуре плавления метана. Сатурн окружен кольцами. Они были замечены Галилеем в 1610 году. Кольца вращаются вокруг Сатурна. Кольца представляют собой плоскую систему из бесчисленного количества мелких спутников планеты. Толщина колец около 3,5 км. Кроме колец у Сатурна известно 10 спутников. В атмосфере Сатурна бушуют ветры, скорость которых достигает 1800 км/ч.

Уран – седьмая по порядку от Солнца планета. По диаметру в 4 раза больше Земли. Уран был открыт английским ученым В. Гершелем в 1781 году. В составе атмосферы Урана найдены водород и небольшая примесь метана. Одной из особенностей Урана является открытая в 1977 г. система опоясывающих его колец. Удаленность колец от центра планеты составляет от 1,60 до 1,85 радиуса Урана.

114

Нептун – восьмая по порядку от Солнца большая планета Солнечной системы. Французский астроном Леверье математически предсказал существование Нептуна. На основе данных Леверье, И. Галле в 1846 году обнаружил планету. Диаметр Нептуна составляет 50200 км. В центре Нептуна имеется тяжелое ядро, состоящее из металлов и других элементов. В 1986 году с помощью космического зонда «Вояджер-2» получены фотографии Урана и Нептуна, по которым были установлены состав атмосферы и обнаружены спутники этих планет.

Солнечную систему пересекают и кометы. Кометы – тела Солнечной системы, имеющие вид туманных объектов. Кометы могут наблюдаться тогда, когда небольшое ледяное тело, называемое ядром кометы, приближается к Солнцу на расстояние, меньшее 4–5 а.е., прогревается его лучами и из него начинают выделяться газы и пыль, которые видны в результате их освещения Солнцем.

У большинства комет в середине головы наблюдается яркое звездообразное «ядро», представляющее собой свечение центральной, наиболее плотной зоны газов вокруг истинного ядра кометы. По современным гипотезам, кометы представляют собой огромные глыбы из льда и камня, которые испаряются при подходе к Солнцу и образуют газовый и пылевой хвосты. Согласно классификации, предложенной русским астрономом Ф. А. Бредихиным, все кометные хвосты подразделяются на три типа: хвосты I типа направлены прямо от Солнца; хвосты II типа изогнуты и отклоняются назад по отношению к орбитальному движению кометы; хвосты III типа почти прямые. Установлено, что хвосты I типа – плазменные. Хвосты II типа образованы пылевыми частицами разной величины, непрерывно выделяющимися из ядра. Хвосты III типа появляются в том случае, когда из ядра одновременно выделяется целое облако пылинок.

Свечение газов в кометах – это переизлучение солнечного света. Кометы являются членами Солнечной системы.

7.4. Темная материя

Общепризнано, что знания человека о Вселенной достаточно велики, но это далеко не так. Видимое нами вещество – лишь малая часть того, из чего состоит Вселенная. Все

115

остальное – это то, о чем мы почти ничего не знаем. Это «нечто» и называют темной материей1.

Первое свидетельство о том, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в 30-х годах ХХ века. Астроном Ф. Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники движутся вокруг общего центра. Скорости галактик оказались значительно больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это однозначно означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. По каким-то причинам основное количество материи недоступно для прямых наблюдений.

О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют и эксперименты по гравитационному лицензированию. Из теории относительности следует, что любая масса деформирует пространство и, подобно линзе, искажает прямолинейный ход лучей света. Это искажение столь велико, что его легко заметить. Можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить полную массу. Оказывается, она во много раз больше вклада видимого вещества скопления.

Через 40 лет после работ Цвикки американский астроном В. Рубин изучала скорости вращения вещества, расположенного на периферии галактик. При движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра (закон Кеплера). Для многих галактик эта скорость остается постоянной на значительном удалении от центра. Плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра. Поскольку плотность видимого вещества быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечить нечто, чего мы по каким-то причинам не обнаруживаем. Требуется, чтобы этого невидимого «нечто» было в 10 раз больше, чем видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя».

Расчеты показывают, что сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составила лишь

1 Игорь Сокальский. Темная материя. «Химия и жизнь», № 11, 2006.

116

несколько процентов от полной массы Вселенной (5 %). Недостающие 95 % от массы Вселенной и есть темная материя.

Сегодня мы почти ничего не знаем о темной материи. Темная материя существует в нескольких формах.

Обычное видимое вещество – 5 %

Нейтрино – 0,3–3 %

Барионная темная материя – 4–5%

Небарионная темная материя – 20–25 %

Темная энергия – 65–70 %

Особенность небарионнной темной материи состоит в том, что она почти никак не проявляет себя во взаимодействии с обычным веществом. Поиски этого вида темной материи активно ведутся в течение последних 20–30 лет, но до сих пор она не обнаружена.

О темной энергии известно еще меньше, чем о темной материи. Известно, что она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия ускоряет разбегание обычной материи, собранной в галактиках.

Главный кандидат на роль темной энергии – вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Ясно, что в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, не похожую на то, с чем имела дело физика до сих пор. Ясно, что большая часть Вселенной скрыта от нас. История показывает, что загадки природы рано или поздно разрешались. Оптимизм – великая сила человека и человечества.

117

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

Абстракция – мысленное отвлечение от ряда свойств предметов и отношений между ними.

Автокатализ – химическая реакция, в которой для синтеза определенного вещества требуется присутствие вещества, которое, ускоряя химическую реакцию, играет роль катализатора.

Агностицизм – учение, отрицающее частично или полностью познание мира.

Адекватность – соответствие, равенство, эквивалентность. Аксиома – исходное, начальное положение какой-либо теории. Акциденция – временное, неустойчивое свойство вещи.

Анализ – метод научного исследования, подразумевающий мысленное или реальное разложение целого на части.

Антиномия – появление в ходе рассуждений двух противоречащих, но представляющихся одинаково обоснованными суждений.

Античастица – имеет заряд, противоположный частице. Антропологизм – философская концепция, представители кото-

рой усматривают в понятии «человек» основную мировоззренческую категорию.

Антропология – наука о человеке, его становлении, развитии и будущем.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, носитель его свойств.

Атмосфера – газообразная оболочка Земли или других небесных тел.

Атрибут – существенное, неотъемлемое свойство объекта, без которого он не может ни существовать, ни меняться.

Бесконечное и конечное – категории, выражающие неразрывно связанные между собой противоположные стороны объективного мира.

Биологическое и социальное – понятия, характеризующие качественную специфику и взаимодействие двух органически связанных уровней развития материи: живой природы и ее высшей формы – жизнедеятельности человеческого общества.

Биосфера – земная оболочка, состоящая из атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы (земная кора), где протекает жизнь.

Белки – полимеры, состоящие из нескольких сотен аминокислот. Биота – исторически сложившаяся совокупность растений и жи-

вотных, объединенных общей областью распространения.

Биоценоз – совокупность животных, растений и микроорганизмов, населяющих участок среды обитания с более или менее однородными условиями жизни.

Биоэтика – междисциплинарное научное направление, рассматривающее отношение к живой природе в свете нравственных ценностей.

Вещь – часть материального мира, имеющая относительно самостоятельное существование.

118

Вакуум – низшее энергетическое состояние поля, при котором число квантов равно нулю.

Верификация – проверка истинности теоретических положений, установление достоверности опытным путем.

Виртуальная частица – элементарная частица в промежуточных (ненаблюдаемых) состояниях.

Время – форма бытия материи, выражающая длительность ее существования, последовательность смены состояний.

Вселенная – весь окружающий нас мир во всех его многообразных формах и проявлениях, безграничный во времени и в пространстве.

Волюнтаризм – философская, мировоззренческая позиция, суть которой состоит в признании воли в качестве первоосновы сущего.

Галактика – Млечный путь – звездная система, в которую входят планеты.

Гилозоизм – философское учение об универсальной одушевленности всей материи.

Ген – отрезок молекулы ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка и ответственный за его синтез.

Генотип – генетический код организма.

Географическая оболочка Земли – ландшафтная оболочка, сфера взаимопроникновения и взаимодействия атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли. Включает воды океанов, морей, озер, рек, болт, подземные воды и льды.

Гипотеза – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления.

Глобальные проблемы – комплекс общечеловеческих проблем современности, затрагивающих как мир в целом, так и его регионы, решение которых зависит от усилий всех или большинства государств планеты.

Гносеология – теория познания, раздел философии, изучающий источники, формы и методы научного познания.

Гуманизм – система взглядов, выражающих признание ценности человека как личности, его прав и свободы.

Гоминиды – семейство, охватывающее ископаемые и современные виды человека.

Гормоны – вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции и стимулирующие определенные процессы в организме.

Гравитационный коллапс – катастрофическое сжатие массивной звезды под действием сил тяготения после исчерпания в ее недрах источников ядерной энергии. Ведет к образованию пульсара или черной дыры.

Гравитон – гипотетическая частица гравитационного поля, движущаяся со скоростью света и не имеющая массы покоя (введена для объяснения гравитационного взаимодействия).

Движение – способ существования материи.

Двойственная истина – термин, обозначающий учение о взаимной независимости истин философии и богословия.

Деизм – учение, которое признает существование Бога в качестве безличной первопричины мира, развивающегося по своим собственным законам.

119

Деятельность – процесс, в ходе которого человек творчески преобразует природу.

Дедукция – логическое умозаключение от общего к частному. Дивергенция – расхождение признаков организмов в процессе их

эволюции, вызываемое искусственным или естественным отбором. Диалектика – наука о всеобщих законах развития природы, обще-

ства, человека и мышления.

Догматизм – некритический, односторонний тип мышления. Дискретный – прерывистый, состоящий из отдельных частей. Дискуссия – обсуждение какого-либо спорного вопроса.

Диссипативные структуры – новые структуры, требующие для своего становления большого количества энергии.

Дифференциация – разделение, расчленение целого на различные части, формы и ступени.

Доплера эффект – если объект приближается к нам, то частота колебаний исходящих от него волн возрастает и наоборот.

Жизнь – форма движения материи, качественно более высокая, чем физическая и химическая формы, но включающая их в «снятом» виде.

Жизненный цикл – совокупность фаз развития, в процессе которых организм достигает зрелости и становится способным дать начало следующему поколению.

Звезды – гигантские светящиеся газовые (плазменные) шары, подобные Солнцу.

Заблуждение – неадекватное отражение действительности. Закон – внутренняя сущностная и устойчивая связь явлений,

обуславливающая их упорядоченное изменение.

Знание – продукт общественной материальной и духовной деятельности людей, идеальное выражение в знаковой форме объективных свойств и связей мира.

Идеальное – субъективный образ объективной реальности, возникающий в процессе целесообразной деятельности человека.

Идеализация – представление чего-либо лучшим, чем оно есть в действительности.

Индивид – единичный представитель человеческого рода, отдельно взятый человек.

Интерес – причина действий индивидов, различных устойчивых социальных общностей.

Интуиция – способность непосредственного постижения истины. Истина – правильное, достоверное отражение предметов и явле-

ний действительности, цель духовного освоения человеком мира. Импульс – в физике – произведение массы на скорость; в физио-

логии – быстро распространяющаяся по нервному волокну волна возбуждения.

Инбридинг – скрещивание между собой двух близкородственных организмов для улучшения растений и животных.

Индукция – логическое умозаключение от единичных случаев к общему выводу, от отдельных фактов к обобщениям.

Имманентное – внутренне присущее тому или иному предмету, явлению или процессу свойство (закономерность).

120