Курс по концепции современного естествознания

Антропный принцип

47в современной космологии и законыдинамики

Суть антропного принципа— единство человека и космоса. Этот принцип включаетдва факта.

Во-первых, сама возможность существования че-

ловека обеспечивается характером объективныхзаконов универсума и зависит от значений фундаментальных физических постоянных (гравитационная постоянная, постоянная Планка, электрическая, магнитные постоянные, постоянная Больцмана и др.).

Во-вторых, человек как существо, способное к по-

ниманию, занимает особое место во Вселенной на-

рядусдругими разумными существами, еслитаковые имеются. Таким образом, человек — существо космическое, человек познает мир доступным ему способом, человек как познающее существо на данный момент не имеет альтернативы в космосе, хотя возможностьтакой альтернативы не исключена.

Выделяют слабый и сильный антропный принцип.

Слабый антропный принцип: человек может наблю-

дать, но ограничен условиями его существования.

Сильный антропогенный принцип: Вселенная долж-

на быть такой, чтобы в ней на определенном этапе развития было возможно существование наблюдателя— разумного существа— человека.

Для космологии присущ критерий подтверждае-

мости, а не долженствования; космология отражает то, что есть, существует. Поэтомуне Вселенная должна подстраиваться, чтобы создатьусловия для бытия человека, а человек, сама жизнь становятся возможными лишь в соответствии с объективно возникшими в процессе эволюции Вселенной условиями.

Познавательныевозможностичеловека, какпознающего субъекта ограничены условиями его бытия. Однако экспериментальные данные подвергнутые логическому, теоретическому осмыслению, дают возможность познать и то, что недоступно чувственному восприятию. И можно сделать вывод, что во Вселен-

ной нет принципиально непознаваемых явлений,

процессов, недоступных прогрессирующему научному познанию.

Классическаядинамика основана на 3-хосновных законах Ньютона:

1.Существуюттакие системы отсчета, относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано:

2.В инерциальной системе отсчета сумма всех сил, действующих на тело, равна произведению массы этого тела на векторное ускорение этого же тела (действиенателосилыпроявляетсявсообщенииему ускорения):

3.Тела действуют друг на друга силами равными по модулю и противоположными по направлению:

Прямая задача динамики: по заданным силам определить характер движения тела.

Обратнаязадачадинамики: позаданномухаракте-

рудвижения определитьдействующие на тело силы.

48 Звезды

Звезды — это гигантские плазменные образования, имеющиеразличныехарактеристикивеличины, температуры, движения. В звездах сосредоточено 98– 99 % видимоговеществаизвестнойнамчастиВселен-

ной. Звезды— мощные источники энергии. Вещество внихнаходитсявсостоянииплазмы, представляющей собой ионизированный газ, в котором концентрации положительных(ионы) и отрицательных(электроны) зарядов равны (квазинейтральность).

В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной (звезды, галактические туманности и межзвездная среда). В космическом про-

странстве звезды образуютзвездные системы: крат-

ныезвезды(двойные, тройныеит.д.), обращающиеся вокругобщегоцентратяжести, некоторыеизкратных звезд окружены общей оболочкой диффузной материи, имеются звездные скопления рассеянной или шаровой структуры. Шаровые звездные скопления включают в себя сотни тысяч звезд, рассеянные состоят из нескольких сотен отдельных звезд.

Высокая светимость звезд в течение длительного времени свидетельствует об огромном количестве энергии, выделяемой в них. Возможные источники этой энергии: гравитационное сжатие, вызывающее выделение гравитационной энергии, и термоядерные реакции, при которыхиз ядерлегкихэлементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.

Эволюция звезд зависит от их массы, исходного химического состава. Звезды первого поколения содержат70 % водорода, 30 % гелия и весьма небольшую примесьдейтерия и лития. В процессе эволюции

звезд первого поколения возникли тяжелые элементы, которые были выброшены в межзвездное пространствопривзрывахзвездиврезультатеистечения вещества. Последующие поколения звезд содержат 3–4 % тяжелых элементов.

Рождение звезд есть образование гидростатического равновесного объекта, излучение его поддерживается за счет собственных источников энергии.

Звездообразование — непрерывный процесс. Про-

должается он и сейчас в результате конденсации вещества межзвездной среды. Первый этап эволюции звезд— гравитационное сжатие, которое приводитк разогреву центральной зоны звезды до температуры 8–10 млнК, прикоторойядраводорода, т.е. протоны, образуют ядра гелия. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии.

Звезда представляет собой саморегулирующуюся,

тонко сбалансированную систему. Источник энергии — водородные термоядерные реакции в центральной зоне. Запасы водорода в звездах обеспечивают ядерные реакции на миллиарды лет. После того как выгоритводород в центральной зоне звезды, образуется гелиевое ядро. Ядерные реакции перемещаютсянаперифериюзвезды. Выгоревшееядросжимается, а внешняя оболочка расширяется, разбухает до огромных размеров. Внешняя температура снижается, звезда переходит в стадию красного гиганта, и существование звезды приближается к концу.

49 Сохранение механической энергии

Энергия—скалярнаяфизическаявеличина, которая представляет собой единую меру различных форм движения материи и меру перехода движения материи из одних форм в другие.

Существует закон сохранения механической энер-

гии, которому присущи только консервативные силы, действующие между собой в системе тел. Таким образом, механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем.

Действие консервативных сил направлено только на потенциальные поля, где работа, совершаемая действующими силами при перемещениитела из одного положения вдругое, не зависитоттого, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений.

Если работа, совершаемая действующими силами, все же зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется дис-

сипативной; например, сила трения.

Тела механических систем, которые могут поддаваться воздействиютолько консервативныхсил (вну-

тренних и внешних), называются консервативными системами. Взаконесохранениямеханическойэнергии сформулировано правило: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется.

Под процессом рассеивания энергии понимается диссипация. Преобразовываясь в другие (немеханические) формы энергии, механическая энергия, котораядействуетвдиссипативныхсистемах, постепенно уменьшается. Можно сделать вывод, что все реаль-

ные системы в природе диссипативные.

Постоянной может оставаться полная механическая энергия лишь в консервативных системах, где

происходиттолькопревращениекинетическойэнергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах.

Закон сохранения и превращения энергии— закон природы; которыйявляетсяфундаментомкакдлясистем макроскопическихтел, так и для микросистем.

Всистеме, совмещающей в себе действие консервативных идиссипативных сил (сила трения), полная механическая энергия сохраняться не может. Поэто-

мунатакую системузаконсохранениямеханической энергиинедействует. Однаконаместемеханической энергии, которая идет на убыль, всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида.

Такимобразом, энергиянеможетпростоисчезнуть,

азатем появиться вновь, потому что постоянно происходит ее превращение из одного вида в другой.

Вэтом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения механической энергии—

движение и взаимодействие материи.

Идея закона сохранения энергии принадлежит М. В. Ломоносову(1711–1765). М. В. Ломоносовлишь изложил закон сохранения материи и движения,

адальнейшая полная его формулировка была дана немецкими учеными — Ю. Майером (1814–1878) и Г. Гельмгольцем (1821–1894).

50 Химические элементы

От древних греков проистекают представления об элементах-свойствах и элементах-качествах, просуществовавшие околодвухтысячелетий и подхваченные в XIII–XV столетии в модернизированном виде алхимией.

Р. Бойль в 1660-х гг. положил начало современному представлению о химическом элементе как о

«простом теле» или как о пределе химического разложения вещества, переходящем без изменений из состава одного сложного тела в состав другого сложного тела. Ни химия того времени, ни сам Р. Бойль не знали ни одного химического элемента. При помощи прокаливания, универсального для того времени, получали окалины и их принимали за элементы. То, что было известно — железо, медь и т.д., принимали за сложные тела, состоящие из соответствующего элемента и универсального «невесомого тела» — флогистона.

Теорияфлогистона была одной из первыхнаучных теорий химии. Исходным пунктом для появления этой теории служило стремление уточнить феноменологическую картину горения. Основателями тео-

рии флогистона считают химиков-врачей И. Бехера

иГ. Шталя.

Сточки зрения Г. Шталя, горение есть разложение тел, при котором выделяется газообразная материя, невесомое и неуловимое вещество — флогистон. Выделившийся флогистон рассеивается в воздухе, откуда его извлекают растения, и через них он попадает в животные организмы. Изучение флогистона привело к развитию аналитического метода и, как следствие, к открытию ряда химических элементов.

В70-х гг. ХVIII в. был открыт кислород, а затем и его роль в образовании кислот, оксидов, воды.

Главная роль в опровержении теории флогистона принадлежит французскому ученому А. Л. Лавуазье.

Врезультате эмпирическихисследований он пришел

квыводу о наличии «наиболее чистой части воздуха», или «весьма удобновоздыхаемого», или «живительного воздуха». Ему же принадлежит первая в историихимиипопыткасистематизациихимических элементов. Эта проблема решена впоследствии рус-

ским химиком Д. И. Менделеевым, создателем Периодической системы химических элементов. Место элемента в периодической системе оказалось не просто его порядковым номером, который в общем случае обусловлен не атомной массой, но зарядом атомного ядра. Это означает, что не атомная масса, а именно заряд ядра (и только он) обеспечивает индивидуальность химического элемента.

Под элементом (по Д. И. Менделееву) должно под-

разумевать те материальные составные части простыхи сложныхтел, которые придаютим известную совокупностьфизическихихимическихсвойств. Эле-

менту отвечает понятие атом. «Углерод есть элемент,

уголь, графит, алмаз естьтела простые».

ВовременаД. И. Менделеевабылоизвестновсего 62 элемента.

Атом— элементарная, химическинеделимаячастица вещества.

Молекула — совокупность атомов, соединенных междусобой химическими и прочими связями, обладающая определенными физическими и химическими свойствами.

Молекулы, из которых состоят живые организмы, подчиняются всем известным законам химии. Большинство химических компонентов живых организ-

мов представляют собой органические соединения,

т.е. соединенияуглерода, водорода, азотаикислорода, это макромолекулы белка и нуклеиновых кислот. Каждый вид живых организмов содержит свой набор белков и нуклеиновых кислот. Можно говорить о неограниченномразнообразиибиохимическойосновы жизни, но это разнообразие сводится к нескольким типам простых и небольших молекул, используемыхв качестве строительныхблоков.

Белки представляют собой цепи, состоящие из 20 различных ковалентно связанных друг с другом аминокислот.

Аминокислоты — это «алфавит» белковой структуры. Двадцать аминокислот могут дать достаточное число последовательностей, чтобы их хватило не толькодлятысячи белков, присутствующихукаждого из тысяч существующих видов организмов, но и для белковвсехтехвидов, которыекогда-либосущество- вали или же появятся в будущем. В зависимости от последовательности аминокислот белки выполняют различные функции.

Структурануклеиновыхкислот представляетсобой определенное расположение четырех нуклеотидов.

Эти нуклеотиды и аминокислоты являются одинаковыми во всех организмах, включая животных, растения и микроорганизмы (что свидетельствуетв пользу того, что все живые организмы произошли от одного предка).

Для различных форм живого необходимы лишь 27 из 92 природных химических элементов, присутствующих в земной коре.

В живых организмах в наибольших количествах встречаются четыре элемента: водород, кислород,

углеродиазот, вбольшинствеклетокнаихдолюприходится более 99 % общей массы.

Химические свойства живых организмов в значи-

тельной степени зависят от углерода, на долю которого приходится более половины сухого веса.

Атомы углерода обладают способностью к образо-

ванию одинарныхидвойныхковалентныхсвязей. Вещества, имеющие скелеты из ковалентно связан-

ных углеродных атомов, называются органическими соединениями, их разнообразие практически неограниченно. Почти все органические биомолекулы можно рассматривать как производные углеродов— соединений, состоящих из атомов углерода и водорода.