4. Справочные материалы

СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И ЕГО РОЛЬ В РАЗВИТИИ ЦИВИЛИЗАЦИИ

Общие положения. Естествознание – это совокупность знаний о природных объектах и процессах. Такие знания получают в естественных науках – физике, химии, биологии, геологии, астрономии и т.д.

Достижения современного естествознания огромны: люди научились расщеплять атомные ядра и получать при этом огромную энергию, достигли Луны, открыли законы наследственности в живой природе, научились лечить многие болезни и т.д. На естественнонаучных открытиях основаны все передовые технологии. Однако современная наука определяет и пределы прогресса. Она свидетельствует о том, что:

- первые люди появились на Земле более 2,5 млн. лет назад;

- население планеты достигнет 10 -12 млрд. человек к середине этого века и вероятнее всего больше увеличиваться не будет;

- доступного ископаемого органического топлива (нефти, газа, угля) на Земле осталось максимум на 200-300 лет;

- при продолжении нещадной эксплуатации земных недр и загрязнении окружающей среды в том же темпе уже в этом веке Земля может стать непригодной для жизни;

- Земля может прокормить и обогреть максимум 12 млрд. человек;

- после создания в ХХ в. ядерного оружия возникла опасность радиоактивного заражения обширных территорий и т.д.

Существуют два взгляда на дальнейшее развитие общества:

1. наша цивилизация погибнет, не успев в полной мере воспользоваться своими достижениями и открытиями;

2. наша цивилизация, переосмыслив ошибки прошлого, сможет просуществовать еще много тысяч и миллионов лет, даже если погаснет Солнце.

Решить глобальные проблемы на Земле можно только, развивая науку и создаваемые на ее основе передовые технологии, которые не разрушают среду обитания людей и всего живого на нашей планете.

Обновление технологий и подъемы в экономике. В 20-х годах ХХ века были открыты технологические циклы развития мировой экономики. Это открытие сделал отечественный экономист Н.Д.Кондратьев (1892-1938) на основе анализа развития экономики в мире с начала ХVIII века. Им были изучены данные об изменении цен, заработной платы, объема внешней торговли, производства основных видов промышленной продукции и сведения о нововведениях в промышленности и сельском хозяйстве в экономически развитых государствах. Продолжительность технологических циклов – около 50 лет; они начинаются с роста производства и деловой активности в мире и заканчиваются их спадом.

Каждому из наблюдавшихся подъемов в мировой экономике предшествовали крупные изменения в социально-экономической жизни общества: создание новой техники и разработка новых технологий, вовлечение в мировые экономические связи новых государств, изменение добычи ресурсов, денежного обращения и т.д.

Анализ исторического развития мировой экономической системы показывает, что необходимым условием для экономического роста является появление новых производственных технологий и новой производственной техники, которые позволяют снизить производственные затраты и сделать товары и услуги доступными для широких слоев населения. 50-летние экономические циклы названы технологическими потому, что они связаны с исчерпанием возможностей старых производственных технологий.

В ХVIII-ХIХ веках резко возросла роль научных открытий при разработке новой техники и технологий. В античное и средневековое время техника и технологии создавались путем стихийного изобретательства.

Так, например, на рубеже ХVII - ХVIII веков появилась возможность рассчитывать строительные конструкции с помощью уравнений классической механики, разработанной И.Ньютоном (1643-1727). Использование научных расчетов в строительстве повышало качество и уменьшало сроки строительных работ, т.е. способствовало росту их эффективности. Все это, безусловно, не могло не сказаться на темпах развития экономики в мире в то время: появление новых строительных технологий наряду с другими новыми технологиями той эпохи создало предпосылки для мирового экономического подъема в первой половине ХVIII века.

Самые распространенные двигатели ХХ и ХХI веков – электрические – были созданы на основе применения закона А.Ампера (1775-1836), согласно которому в магнитном поле проводник с электрическим током начинает двигаться (первые образцы электродвигателей сконструировал американец Дж.Генри (1797-1878) в 30-х годах ХIX века). Широкое внедрение электрических двигателей в различные сферы человеческой деятельности оказало огромное воздействие на развитие экономики во второй половине ХIX века и в ХХ веке.

Научные открытия были использованы при разработке технологий производства синтетических материалов (первые образцы таких материалов появились во второй половине ХIX века), при создании и усовершенствовании двигателей внутреннего сгорания (2-я половина ХIX века), при разработке радиотехнологий и средств связи (конец ХIX века и ХХ век), электронных и информационных технологий (ХХ век), технологий лечения наследственных болезней (конец ХХ века) и многого другого. Начиная с ХХ века, техника и технологии создаются только на основе применения научных открытий. Поэтому они и называются наукоемкими.

Таким образом, для того чтобы экономика (мира в целом, отдельной страны или отдельной отрасли) развивалась, необходимо периодическое обновление производственной техники и технологий. В настоящее время для этого необходим достаточно большой запас научных открытий в естественных и технических науках. И если эти области деятельности человека будут и дальше оставаться непопулярными, как сейчас, экономика будет получать все меньше и меньше технологических стимулов для своего развития.

Сейчас мы являемся свидетелями глобального экономического кризиса. В различных средствах массовой информации, на форумах и конференциях продолжают обсуждать его причины. Но, к сожалению, очень редко указывают исчерпание технологий.

Одной из самых доходных отраслей нашего времени является финансовый сектор, в котором огромные средства все чаще зарабатывают на различных финансовых спекуляциях. Почему? Наиболее простой, быстрый и «надежный» способ, который, однако, как показало недавнее прошлое, может «иногда» давать крупные сбои в мировом масштабе. А ведь в здоровой экономической системе деньги должны делать деньги через производство товаров и услуг. Но если производственный сектор перестает приносить инвесторам желаемые прибыли (а это, как правило, происходит при исчерпании возможностей старой технологической базы) приходится зарабатывать на ростовщичестве и замыкать финансовую сферу саму на себя.

Известный экономист ХХ века Й.Шумпетер (1883-1950) отметил, что развитие рыночной экономики основано на стремлении предпринимателей-одиночек регулярно вводить инновации. В начале выхода из кризиса нововведения осуществляют наиболее смелые предприниматели. Т.к. их мало и у них практически нет конкурентов, эффективность их вложений очень высокая. Постепенно их успех заставляет других предпринимателей вводить аналогичные нововведения, а это способствует возрастанию конкуренции, снижению прибыли и приводит в итоге к перепроизводству, превышению предложения над спросом – т.е. к новому кризису.

Среди различных типов нововведений главным в экономике является обновление производственных технологий. У предпринимателей, желающих ввести инновации, должен быть выбор возможных технологий развития производства. Разумеется, каждый предприниматель-инвестор хочет вытянуть лотерейный билет. Но если их не покупать, то и выигрыша не будет. А еще надо знать, что покупать и где. Следовательно, необходима популяризация научно-технических знаний, которую нужно осуществлять прежде всего на государственном уровне, начиная со школы. Поэтому, если страна хочет обеспечить свою национальную безопасность, динамичное развитие экономики и повышение уровня жизни своих граждан, следует одним из приоритетных направлений государственной политики сделать развитие науки и техники.

Американский физик Дж.Хюбнер из исследовательского центра Пентагона рассчитал, что к 2025 г. отношение числа технологических нововведений к численности населения в мире снизится до средневекового уровня. Он показал, что пик технологического развития наблюдался в обществе на рубеже ХIX-XXвеков. Параметр, на основе которого он сделал такой вывод, - отношение значимых научных открытий и технологических новинок к численности населения в мире в различные эпохи.

Какими бы мрачными не казались прогнозы Хюбнера, наука и техника не перестали развиваться. Развитые страны мира продолжают вкладывать в научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки несколько процентов от объема ВВП. Мировой экономический кризис уменьшит абсолютные значения таких вложений, т.к. наблюдается заметное снижение валового внутреннего продукта во многих странах. Какие же новые технологии может ожидать общество в ближайшие годы? С какими из них может быть связан очередной подъем в мировой экономике?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, отметим ряд технологий, разработка которых больше других повлияла на развитие мировой экономики во второй половине ХХ века.

Наше время принято называть веком информационных технологий. Стремительное развитие информационных средств и электроники, обеспечивающей их функционирование, произошло благодаря изобретению в 1947 г. транзистора - полупроводникового устройства для управления электрическими сигналами. Изобретателями транзистора стали американцы У.Браттейн (1902-1987), Дж.Бардин (1908-1991) и У.Шокли (1910-1989). В первой половине ХХ века электроника развивалась на ламповой основе. Основными функциональными элементами первых радиоприемников, телевизоров и другой электронной техники были электронные лампы – диоды и триоды. После изобретения транзистора (полупроводникового аналога электронных ламп) в электронике начался переход на новую элементную базу. Эффективная и миниатюрная полупроводниковая электроника (микроэлектроника) стала вытеснять менее эффективную и громоздкую ламповую, что обеспечило интенсивное развитие не только электронных, но и связанных с электроникой информационных технологий и привело к изобретению компьютеров (1979-1988 гг., К.Синклер (род. 1940)). Основным материалом для изготовления транзисторов и микросхем, состоящих из большого количества транзисторов, стал кремний. Поэтому наш век можно назвать кремниевым по аналогии с тем, как были названы эпохи, во время которых господствующими были технологии обработки камня или металла (каменный и бронзовый века).

Примерно пятую часть вырабатываемой в мире электроэнергии сейчас производят атомные электростанции. А первые АЭС появились в мире в 50-х годах ХХ века – вначале в СССР в 1954 г. в Обнинске, затем в других государствах. Разработке промышленных и военных ядерных технологий прежде всего способствовали открытия радиоактивности (1896 г., А.Беккерель (1852-1908)), атомного ядра (1911 г., Э.Резерфорд (1871-1937)) и цепной реакции деления тяжелых ядер (1938 г., Л.Мейтнер (1878-1968), О.Ган (1879-1968), Ф.Штрассман (1902-1980)). Ядерные реакторы сейчас преимущественно используются для производства электроэнергии. Однако развивается и использование тепловой энергии, вырабатываемой на АЭС, для теплоснабжения, опреснения воды и для других целей. К энергокомпаниям с наибольшей установленной мощностью ядерных энергоблоков относятся французская фирма ЕDF(более 60000 МВт), российский «Росатом» (около 20000 МВт) и японская компания ТЕРКО (примерно 20000 МВт). В настоящее время мировой рынок атомного оборудования оценивается в 45 млрд. долларов в год. Россия контролирует примерно 30% этого рынка и может рассчитывать на его увеличение в связи с интенсивным развитием ядерной энергетики в странах Азии и Азиатско-Тихоокеанского региона, в некоторых странах Европы, а также в странах СНГ. Стоимость одного блока АЭС в среднем составляет 1 млрд. долларов. Гарантийный срок службы промышленных ядерных реакторов 40-60 лет, а окупаются они за 10 лет.

В 1960-х годах началось развитие генных технологий, с помощью которых можно изменять гены в живых организмах и, следовательно, придавать организмам новые признаки. Генные технологи используют в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, медицине и в других областях. Объем рынка лекарств, полученных такими способами (инсулин, интерферон, гормон роста и др.), сейчас составляет десятки миллиардов долларов США в год (объем всего мирового фармацевтического рынка - более 250 млрд. $ в год). Идет разработка методов лечения наследственных и ненаследственных заболеваний путем изменения генных дефектов в клетках больных людей. Объем продаж генетически модифицированной (трансгенной) продукции, которую производят в сельском хозяйстве и пищевой промышленности, составил в мире в 1995 г. – 75 млн. $, в 1996 г. – 235 млн. $, в 1997 г. – 670 млн. $, в 2000 г. – 3 млрд. $, в 2005 г. - около 8 млрд. $, в 2010 г. он может возрасти до 25 млрд. $. Разработке генных технологий способствовали открытия строения молекулы ДНК – вещества наследственности в живой природе на Земле, состоящего из генов (1953 г., Дж.Уотсон (род. 1928), Ф.Крик (1916-2004), Р.Франклин (1920-1958)), и расшифровка генетического кода (1966 г., М.У.Ниренберг, Р.У.Холли, Х.Г.Корана, С.Очоа, Ф.Крик), устанавливающего соответствие между генами ДНК и кодируемыми ими белками.

В настоящее время, как и в предыдущие эпохи, обществу необходимы технологии производства дешевых и эффективных материалов для различных устройств и процессов. Такие проблемы возникают при разработке практически всех новых технологий. Например, в каменный и бронзовый века технологический уровень развития общества определялся возможностями обработки камня и металла, а во второй половине XX века – возможностями получения кремния (основного материала электроники) и управления его электронными свойствами.

Одной из наиболее перспективных областей междисциплинарных исследований сейчас является создание и исследование свойств органических проводящих материалов - углеводородных проводящих полимеров и наноматериалов на их основе, углеродных фуллеренов и нанотрубок, графена. Эта область обещает в недалеком будущем переход различных технологий на новую элементную базу, основанную на недорогих и доступных органических материалах, способных проводить электрический ток. Органические соединения, как правило, не содержат редких химических элементов и высокотехнологичны. Поэтому они могут стоить намного дешевле неорганических материалов (например, кремния).

На основе проводящей органики могут быть созданы дисплеи, лазеры, транзисторы, оптическая память и многое другое. Крупные производители электроники Philips, Siemensи другие компании уже приступили к разработке электронных устройств из указанных материалов. Такие устройства можно изготавливать на гибких органических подложках и стоить они могут значительно меньше, чем аналогичная техника из неорганических полупроводников.

Проводящие органические материалы можно использовать для преобразования оптической энергии в электрическую, что позволяет создавать на их основе недорогие солнечные батареи для гелиоэнергетики.

О возможности органических материалов проводить электрический ток ученые впервые узнали в начале 70-х годов ХХ века, когда японский химик Х.Ширакава синтезировал первые полимерные пленки с металлическими свойствами (в серии опытов по получению полиацетилена в одном из полученных образцов он обнаружил металлический блеск и способность проводить электричество).

Энтузиасты области проводящих органических материалов предполагают, что уже в этом веке появятся компьютеры на основе проводящей органики, которые будут выглядеть как гибкий лист формата A4, на котором методами пленочных технологий будут размещаться процессор, дисплей, устройства ввода и вывода информации, память.

Основной проблемой области проводящих органических материалов является их недолговечность из-за разрушительного воздействия кислорода и паров воды. Для защиты устройств из проводящей органики от воздействий окружающей среды необходимо наносить на них специальные покрытия, а это может приводить к их удорожанию. Поэтому продолжается поиск более устойчивых материалов на органической основе, а также способов защиты проводящих органических материалов.

Развитие области проводящей органики возможно только на основе тесного сотрудничества химиков, физиков, материаловедов и технологов. Если задача получения стабильных проводящих органических материалов будет решена, электронные, информационные и гелиоэнергетические технологии обеспечат будущее развитие мировой экономики на новой технологической основе.

Большие перспективы развития в ХХI веке имеет также водородная энергетика. По одному из сценариев развития мирового топливно-энергетического комплекса (ТЭК), выработанному аналитиками компании Shell, мировая энергетика в этом веке будет основана преимущественно на газе (метане, а затем на водороде) и электричестве.

Водородная энергетика производит тепловую и электрическую энергию из водорода путем соединения его с кислородом с образованием воды. Такой способ получения энергии практически не загрязняет окружающую среду и может обладать достаточно высоким КПД (до 85-90%). Водород – самое калорийное из известных в настоящее время видов топлива, используемых в тепловой энергетике (удельная теплота сгорания водорода 116 МДж/кг, а бензина, например, - только 46 МДж/кг). К настоящему времени разработаны два типа устройств, преобразующих энергию, накопленную в химических связях водорода. Это – двигатели внутреннего сгорания (ДВС) (аналогичные ДВС, в которых сгорает бензин или природный газ) и водородно-кислородные топливные элементы, производящие электрическую и тепловую энергию химическим способом без горения за счет окисления водорода кислородом. Ведущие автомобильные компании мира уже выпускают автотранспортные средства с водородными ДВС и топливными элементами.

К основным проблемам современной водородной энергетики относятся эффективное получение, транспортировка и хранение водородного топлива. До сих пор производство свободного водорода обходится слишком дорого – в 2-4 раза дороже, чем производство эквивалентного ему по количеству энергии бензина (несколько долларов США за 1 кг водорода). Водород в настоящее время промышленно получают из природного газа, при газификации угля, разложении воды, из биомассы. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость водородного топлива сравняется со стоимостью бензина к 2015 г.

Снижение стоимости водорода возможно при строительстве инфраструктуры по его доставке и хранению. В настоящее время в США функционируют около 1000 км, а в Европе более 1500 км водородных трубопроводных систем. После незначительных доработок водород можно передавать по действующим газопроводам для природного газа.

Водород – самый легкий химический элемент, поэтому в определенном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива (при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении водород занимает примерно в 3000 раз больший объем, чем количество бензина с эквивалентной энергией). Из-за этого водородное топливо содержат или в сжатом газообразном виде в баллонах под давлением 300-350 атмосфер (что может привести к взрыву), или в жидком виде при низком давлении и температурах около -250⁰С (что требует значительных энергетических затрат и мощной теплоизоляции), или хранят в виде гидридов различных элементов (что обеспечивает самую высокую безопасность хранения и самую высокую плотность его упаковки, но пока не освоено в промышленных масштабах).

Россия до середины 90-х годов ХХ века была одним из мировых лидеров в области водородной энергетики. В стране были созданы самолет-лаборатория ТУ-155, экспериментальные автомобили на водородном топливе, плазмохимические установки по производству водорода. Но из-за резкого сокращения в 1990-х годах финансирования всех научных исследований и опытно-конструкторских разработок водородная энергетика почти не развивалась в РФ в течение 10 лет. В рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки приоритетных направлений науки и техники на 2002-2006 годы» работы по водородной энергетике в России были возрождены. В 2003 г. был организован «Водородный проект» до 2050 г., осуществляемый совместно Российской академией наук и компанией «Норильский никель».

Крупные национальные программы по развитию водородной энергетики реализуются в странах ЕЭС, США, Японии, Китае. Государственная поддержка таких программ до наступления глобального экономического кризиса исчислялась в сотнях миллионов долларов.

Стоимость водородного топлива сильно уменьшится, если водород можно будет добывать из недр Земли. Исследования геологов показали, что на глубинах 5-6 км недра Земли могут содержать бескислородные сплавы и соединения на основе кремния, магния и железа, которые при реакции с водой способны выделять водород и тепло. Такие месторождения на суше могут находиться на территории РФ в районе Байкала, в Исландии, Израиле, Канаде, США. Для добычи горячего водорода из земных недр потребуются две скважины, в одну из которых будет поступать вода, а из другой будет выходить нагретый водород.

Если главные проблемы водородной энергетики удастся решить, водород может стать для мировой экономики тем, чем в определенный момент для нее стал уголь, а потом - нефть.

ПРИНЦИПЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА

«Наука состоит из фактов, как

дом из камней. Но собрание

фактов еще не наука, точно так

же как куча камней еще не дом.»

А.Пуанкаре (1854-1912)

Общие положения. Наука - это:

- способ познания мира, основанный на эмпирической проверке и/или математическом доказательстве получаемых знаний;

- система знаний, полученных указанным выше способом.

Альтернативные научному способы познания мира: религия (религиозное знание основано прежде всего на вере; если бы доказали существование бога, религия превратилась бы в науку), искусство, псевдонаука, философия (если она основана на ненаучных знаниях).

Характерные черты науки:

- наличие выработанных и теоретически систематизированных учеными знаний об окружающем мире;

- наличие специального языка (терминов и символов);

- наличие специальных научных институтов и лабораторий;

- наличие научной литературы и т.д.

К признакам научного знанияотносятся:

1) достаточно большой объем опытных (практических) данных;

2) наличие модели (теории, схемы), систематизирующей практические данные;

3) возможность с помощью разработанной модели (теории, схемы) предсказывать новые факты, не известные до ее появления;

4) наличие практической возможности подтвердить или опровергнуть предсказания модели (теории, схемы).

Научная теория– это совокупность принципов или аксиом, следующих из наблюдений или опытов, и доказываемых на их основе теорем или положений. Существуют также аксиомы, которые не следуют ни из каких опытов (например, аксиома о параллельных прямых в Евклидовой геометрии).

Наблюдение, опытиэкспериментотносятся кэмпирическому познанию,гипотезы, теории, модели, схемы– ктеоретическому познанию.

Наблюдениене вносит каких-либо изменений в изучаемый объект или процесс. В рамкахэкспериментаизучаемое явление ставится в особые условия с целью выявить его существенные характеристики и возможности их изменения под влиянием внешних факторов. Во время эксперимента происходит активное практическое вмешательство исследователя в изучаемую реальность.

Наука изучает только повторяющиеся явления и те, которые можно оценить количественно. Научный метод позволяет получать такие знания о явлениях, которые можно проверить, сохранить и передать другому.

А.Эйнштейн (1879-1955) считал, что никаким количеством экспериментов нельзя абсолютно точно доказать теорию, но достаточно одного опыта, чтобы ее опровергнуть. Качество нашей жизни было бы намного выше, если бы опытная проверка и готовность отвергать идеи и гипотезы, не выдержавшие ее, были бы обычным делом в социальной, политической, экономической и других сферах.

Английский специалист по менеджменту Ч.Хэнди (р. 1932), рассуждая о научном прогнозировании, сказал, что оно «помогает объяснить прошлое, которое затем помогает понять настоящее, а значит, предсказать будущее, что позволяет больше влиять на грядущие события и лучше обезопаситься от неожиданностей».

Основные научные принципы. Знание является научным, если процесс его получения и развития подчиняетсяпринципу соответствия, согласно которомуновая научная теория или открытие не отвергают старое знание, а устанавливают границы его применимости.

Английский философ У.Оккам (1285-1349) сформулировал методологический научный принцип «неумножения сущностей сверх необходимого», называемый«бритвой Оккама». Это означает, чтопри выборе одной из нескольких гипотез, объясняющих одно и то же явление или процесс, следует остановиться на самой простой из них. Если же она будет опровергнута, надо перейти к следующей по сложности и т.д.

Согласно принципу концентрации ресурсов(принципу Парето),ресурсы в системе (люди, время, знания, товары и т.д.) концентрируются таким образом, чтобы небольшое количество процессов, причин, затрачиваемых средств или усилий в системе определяло основную долю ее результатов. Например, большую часть необходимой нам информации мы получаем из небольшого количества используемых источников. Большая часть израсходованного времени тратится нами на выполнение второстепенных дел, а меньшая – на достижение основных результатов. Крупные, серьезные конфликты в нашей профессиональной деятельности и личной жизни происходят редко, а мелкие – часто. Итальянский экономист и социолог В.Парето (1848–1923) установил количественные закономерности концентрации системных ресурсов при изучении распределения капитала в обществе, сформулировав известныйзакон «20/80»: большая часть капитала (около 80%) в мире находится у незначительного количества людей (20%). Дальнейшие исследования показали, что этот закон действует в различных областях. Например, 20% причин приводят к 80% следствий, примерно 20% ассортимента продукции или услуг приносят 80% дохода, 20% покупателей или клиентов дают компании 80% прибыли, 20% компаний в отрасли обеспечивают 80% ее продукции или услуг, 20% причин вызывают 80% сбоев на производстве, приблизительно 20% преступников совершают 80% преступлений, 20% источников осуществляют 80% выбросов вредных веществ в атмосферу, 80% времени мы носим 20% нашей одежды, только 20% обучающихся используют 80% возможностей образовательной системы и т.д.

Следует отметить, что соотношение «20/80» – усредненное.В отдельных примерах возможны отклонения в сторону большей концентрации или большего рассеяния. Например, 85% национального богатства распределены в РФ только среди 5% российских граждан; 80% мировой продукции и 2/3 мирового потребления энергии приходится на страны, в которых проживает 1/4 населения Земли; 75% энергии в нашем организме потребляют органы, общий вес которых у людей составляет в среднем только 7% и т.д. Т.е. принцип Парето имеет статистический характер: он выполняется в большинстве случаев и только в системах с достаточно большим количеством элементов.

Другим фундаментальным научным принципом является принцип дополнительности, согласно которомулюбой процесс или объект характеризуются с помощью различных противоположных, но взаимно дополнительных параметров, и не учет одного из них приводит к неточности, неполноте, а иногда – и к искажению информации. К примерам взаимно дополнительных характеристик, понятий, объектов, методов, процессов относятся: теоретическое и практическое познание мира; закономерные и случайные процессы в системе; доход компании и затраты на его получение; левое и правое полушария головного мозга человека (левое полушарие активно при обработке знакомой информации, а правое – при обработке новых данных); приобретения и сопровождающие их потери; достоинства и недостатки продукции и услуг; рынок и план в экономике и т.д.

Принцип смещения равновесия(принцип подвижного равновесия), сформулированный в 1884 г. французским ученым А. Ле Шателье (1850-1936) и обоснованный в 1887 г. немецким ученым К.Брауном (1850-1918), утверждает, чтопод воздействием внешних сил, выводящих систему из равновесия, в ней развиваются такие процессы, которые стремятся ослабить результаты внешнего воздействия; поэтому эффект от произведенного воздействия может оказаться противоположным ожидаемому. Например, увеличение налогов в государстве приводит к росту числа тех, кто их не платит, повышение требований на экзаменах приводит к увеличению не сдавших экзамен, чрезмерная требовательность руководителя способствует росту количества случаев невыполнения его требований и т.д.

Согласно принцип универсальности структур в природе и обществе, природным и социально-экономическим системам свойственны общие закономерности функционирования, развития, а также общие принципы управления.Эффективное управление социально-экономическими и природными процессами невозможно без знания и использования единых, универсальных законов и принципов, действующих в окружающем мире. Знание таких закономерностей способствует выявлению аналогий в функционировании различных структур в природе и обществе и переносу идей, методов и технологий из одних областей в другие.

Сущность принципа причинностизаключается в том, чтовсе происходящее в мире имеет причину, но, зная причину, точно указать ее следствие не всегда возможно. В большинстве случаев указывается совокупность возможных следствий, что приводит к неопределенности будущего и к невозможности точного прогнозирования развития процесса, объекта или системы.

Тенденции развития науки. В науке всегда боролись две тенденции -тенденция специализации знанийитенденция интеграции знаний. Сущностьтенденции специализации знанийзаключается в том, чтобыузнать и понять«все больше о все меньшем». Такой подход ведет к узкой специализации, которая отвечает кратковременным практическим потребностям. У «специалистов» все хорошо, пока функционирует система их «жизнеобеспечения». Если же происходят резкие изменения в окружающей обстановке, то «специалист» рискует оказаться у «разбитого корыта». Специализация помогает не отстать от накопления знаний в той или иной области, но мешает увидеть общие перспективы и тенденции ее развития. Узкие специалисты обычно быстро делают карьеру, но расплачиваются за это узким кругозором.

Тенденция интеграции знанийпредполагаетпонимание«большего посредством пренебрежения меньшим». Именно этот подход способствует целостному видению того мира, в котором мы живем, и позволяет понять, каким может быть будущее этого мира на основе изучения его прошлого и выявления фундаментальных закономерностей его развития. Кроме этого, такой подход позволяет выявлять аналогии в различных процессах и способствует развитию навыков переноса идей, методов и технологий из одних областей в другие. Увы, но в настоящий момент в науке господствует первая тенденция.

Античные философы изучали мир в совокупности и целостности, во взаимосвязи процессов и явлений, происходящих в нем, и добивались, несмотря на ограниченные возможности изучения действительности, существенных результатов в познании того, что их окружало. Образованный человек в древности мог освоить практически все существующие тогда знания. Сейчас это, к сожалению, невозможно. Принято считать, что в эпоху Возрождения объем знаний, которыми овладело человечество, превысил умственные способности отдельного человека. Поэтому знания стали специализироваться.

Фундаментальные и прикладные научные исследования. Современную науку принято делить нафундаментальнуюиприкладную. При проведениифундаментальных научных исследований не ставится цель - обязательно воплотить их результаты в технику или технологии (однако, результаты фундаментальных исследований могут быть воплощены в технику или технологии). При проведенииприкладных научных исследованийставится цель – обязательно воплотить их результаты в технику или технологии (однако, указанная цель может быть не достигнута).

Фундаментальная наука прежде всего представляет интерес для небольшой группы ученых, желающих знать, как устроен мир. Однако фундаментальные исследования – это и работа на будущее, и если мы не желаем без него остаться, необходимо развивать и финансировать не только прикладную, но и фундаментальную науку. Именно при проведении фундаментальных исследований было сделано большинство открытий в самых разных научных областях.

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МАТЕРИИ, ЭНЕРГИИ, ДВИЖЕНИИ,

ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

Материя, энергия, движение, пространство и время являются основными понятиями физики.Физика изучает общие природные закономерности, к которым относятся и самое простое механическое движение материальной точки и такие сложные процессы, в результате которых могут возникать живые организмы. От уровня развития физических знаний зависит и мировоззрение в обществе и технологии, имеющиеся в нем.

Новые открытия в области физики меняли и будут менять в будущем устоявшиеся представления об окружающем мире. На основе этих открытий создавались и будут создаваться новые картины мира и новые технологии.

Материя– это то, что существует реально, воздействует на органы чувств человека и на другие природные объекты. Понятие материи в истории науки не раз уточнялось. Этому способствовали новые открытия в области физики.

Вначале материей считали только вещество(т.е. то, что имеет массу). В это время материи противопоставляли сознание (т.е. то, что не имеет массы). Именно поэтому в философии сформировались два противоположных направления –материализмиидеализм. Материалисты считали первичной материю, идеалисты – сознание (дух).Вещество – первый вид материи.

Второй вид материи(физическое поле, или простополе) открыли в первой половине ХIXвека. Поле не имеет массы покоя, существует только в движении, создается вещественными объектами и обнаруживается также по действию на вещественные объекты.Поле– это то, посредством чего вещественные объекты определенного типа воздействуют на другие вещественные объекты такого же типа (например, любая масса воздействует на другую массу при помощи гравитационного поля, любой электрический заряд воздействует на другой электрический заряд путем электрического поля и т.д.).

В классической физике, которая изучает объектымакромира и мегамира,вещество и полепротивопоставлены друг другу.

Макромир– это привычный нам мир макрообъектов (машин, людей, других живых организмов и т.д.), в котором действуют законы классической механики, электродинамики, термодинамики.Мегамир – это мир планет, звезд, галактик.Микромир – это мир молекул, атомов и элементарных частиц, в котором действуют законы квантовой физики.

В квантовой физике, созданной в ХХ в., считается, чтополепредставляет собой поток особых частиц, которые называютсяквантами поля(т.е. порциями поля). Например, кванты электромагнитного поля называютфотонами(они экспериментально обнаружены), кванты гравитационного поля называютгравитонами (они экспериментально не зарегистрированы).

Если у частицы нет массы покоя, то она находится все время в состоянии механического движения. В вакууме лишенные массы покоя кванты полей двигаются со скоростью света с=3·10⁸м/с. В веществе скорость распространения квантов поля меньше скорости света в вакууме, т.к.вещество оказывает сопротивление любому движению.

Известно 4 вида полей и4 вида соответствующих фундаментальных взаимодействий: гравитационное; электромагнитное; сильное (ядерное) и

слабое (проявляется в процессах-распада ядер атомов и некоторых элементарных частиц (например, нейтронов)).

Впервые понятие «поле»введено в первой половине ХIХ в. английским физиком М.Фарадеем (1791-1867) при изучении электрических и магнитных явлений.

В ХХ в. был выделен 3-й вид материи–физический вакуум. До начала 30-х гг. ХХ в. считалось, что вакуум - это пустота (т.е. область пространства, где нет вещества и поля). Французские ученые Ирен (1897-1956) и Фредерик (1900-1958) Жолио-Кюри обнаружили, что из вакуума при определенных условиях (при поглощении гамма-кванта электромагнитного поля) могут рождаться вещество и поле. Причем возникновение вещества наблюдается в виде пар:частица + античастица. Например, можно наблюдать появление из вакуума парыэлектрон+позитрон(позитрон – античастица электрона):

Электрон	Позитрон
e¯ = - 1.6 · 10^-19 Кл (электрический заряд)	e^+ = 1.6 · 10^-19 Кл (электрический заряд)
m e¯ = 9.1 · 10^-31кг (масса покоя)	m e+ = 9.1 · 10^-31кг (масса покоя)

Античастицыимеют такие же характеристики, как и соответствующие им частицы, за исключением знаков всех зарядов.

Появление электрона и позитрона из вакуума означает, что одновременно с ними возникают электромагнитное и гравитационное поля.

Впоследствии было установлено, что вакуум может забирать обратно вещество и поле. Процесс взаимного уничтожения частицы античастицей, сопровождаемый рождением кванта поля, называется аннигиляцией.

Вакуумявляется исходным видом материи, первичным по отношению к веществу и полю.

Все виды материи обладают энергией. Следовательно, можно утверждать, чтоматериально то, что обладает энергией. В начале ХХ века А.Эйнштейн (1879-1955) предложил универсальную формулу, связывающую массу с энергией:

E = mc²,

где с – скорость света в вакууме, равная 3 · 10⁸ м/с.

Энергия покоящегося объекта: E_пок = m_пок · с² (гдеm_пок – масса покоя). Энергия покоя пары электрон + позитрон:E_{e- + e+} = 2m_ec².

В природе действует закон сохранения энергии, согласно которомуэнергия не исчезает и не создается, а переходит из одной формы в другую. Этот закон является обобщением опытных данных. Количественная формулировка закона сохранения энергии была дана в ХIXв. немецкими учеными Р.Майером (1814-1878) и Г.Гельмгольцем (1821-1894), однако идея этого закона была выдвинута еще в ХVIIIв. русским ученым М.В.Ломоносовым (1711-1765) после того, как он установил закон сохранения массы в химических реакциях.

Принципиальным отличием вещества от поляявляется то, что вещественные объекты не могут двигаться со скоростью света в вакууме. С такой скоростью могут двигаться в вакууме только кванты поля. Скорость света в вакууме – предельная скорость передачи взаимодействий в нашей Вселенной.

Движение– это: 1) любое изменение, происходящее в окружающем мире; 2) форма существования материи. Существуют различные виды движения (возможно существование и неоткрытых видов): механическое; тепловое; ядерное; биологическое; социальное и т.д.

Пространство– это философская категория, вводимая для обозначения порядка расположения объектов в окружающем мире.

Время– это философская категория, которая вводится для обозначения порядка следования процессов в окружающем мире.

До начала ХХ века считалось, что пространство и время первичны по отношению к материи и что они могут существовать независимо от нее. Такое представление о пространстве и времени сформировалось в античное время и было закреплено в классической механике И.Ньютоном (1643-1727) в ХVIIвеке.

И.Ньютон полагал, что пространство может быть и пустым (без материальных объектов) и что время всегда и везде идет одинаково.

После создания в начале ХХ в. специальной(1905 г.) и общей (1916 г.)теорий относительности(СТОи ОТО) было установлено, чтоматерия формирует вокруг себя пространство и время и что без материи их быть не может.

Любая масса своим гравитационным полем искривляет вокруг себя пространство (в искривленном пространстве не может быть плоскостей и прямых линий) и замедляет время по сравнению с тем временем, которое формируется вблизи массы с меньшей гравитацией. Выводы о гравитационном замедлении времени иискривлении пространствабыли получены в ОТО.

Из СТО следует, что при движении время замедляется, а пространство в направлении движения сжимается. Замедление времени и сжатие пространства, связанные с движением, называются релятивистскими, т.к. они тем заметнее, чем ближе скорость движения к скорости света в вакууме.

Для пространства и времени характерна симметрия. Симметрия пространствапроявляется в егооднородностииизотропности, асимметрия времени– в егооднородности.

Однородность пространства– это независимость хода физических процессов от выбора начала отсчета координатной системы (ход физического процесса не зависит от того, где будет находиться наблюдатель за ним).

Изотропность пространства– это независимость хода физических процессов от выбора направления осей координатной системы (ход физического процесса не зависит от того, в каком направлении будут за ним наблюдать).

Однородность времени– это независимость хода физических процессов от выбора начала отсчета времени (ход физического процесса не зависит от того, когда за ним начали наблюдать).

Симметрия пространства и времени свидетельствует о первичности физических законов по отношению к наблюдателю.

Немецкий математик Э.Нетер (1882-1935) доказала теорему, согласно которой с однородностью пространствасвязанзакон сохранения импульса, сизотропностью пространства-закон сохранения момента импульса, а соднородностью времени-закон сохранения энергии.

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ЭВОЛЮЦИИ МАКРОСИСТЕМ

Общие положения. Эволюция- это изменения в окружающем мире. Любой эволюционный процесс характеризуется определенной направленностью, а свойства явлений и процессов на каждом уровне организации материи определяются результатом предшествующего развития.

Первые эволюционные взгляды возникли в глубокой древности. В ионийской школе древнегреческой философии, представителями которой были Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский, были выдвинуты идеи о развитии мира из хаоса. В античной эстетике хаос, с которым связывалось нечто бесформенное, расплывчатое и неопределенное, противопоставлялся гармонии, означающей определенность, единство и наличие формы. Гераклит (конец VI- началоVвв. до н.э.), утверждая, что «все течет» и «в одну реку нельзя войти дважды», одним из первых сформулировалпринцип эволюции, сущность которого заключается в неизбежности развития.

Философы Средневековья считали гармоническую организацию мира результатом творения бога, а мыслители эпохи Возрождения - результатом развития творческих начал самой природы и общества, результатом единства телесного и духовного, материального и идеального.

В западноевропейской философии ХVII-ХIХ вв. идеи об универсальных структурообразующих и эволюционных закономерностях в природе и обществе получили дальнейшее развитие. Немецкий философ Г. Гегель (1770-1831) установил, что источником развития является противоречие, и сформулировал три основных законадиалектики(учения о развитии):закон перехода количественных изменений в качественные, закон единства и борьбы противоположностей изакон отрицания отрицания. Он писал: «Всякое явление противоречиво в том смысле, что оно само из себя развивает те элементы, которые рано или поздно положат конец его существованию, превратят его в собственную противоположность. Все течет, все изменяется, и нет силы, которая могла бы задержать это постоянное течение, остановить это вечное движение; нет силы, которая могла бы противиться диалектике явлений».

Большое значение для развития эволюционных взглядов имели учения об изменчивости и приспособлении живых организмов на Земле, первые из которых сформировались в античное время.

Современным естественно-научным представлениям об эволюции макросистем и о ее возможных направлениях предшествовали две научные теории, созданные вXIXв., -классическая термодинамикаиучение Ч. Дарвина о биологической эволюции.

Классическая термодинамикаизучает процессы развития визолированных (замкнутых)макросистемах (природнаямакросистема содержит огромное число частиц N (N ≥ N_А, где N_А=6.02·10²³ моль^-1 - число Авогадро); в обществемакросистемойможно считать систему, в которой содержится около 100 элементов и более) вблизи состояниятермодинамического равновесия.Замкнутой называется система, которая не обменивается веществом, энергией или информацией с окружающей средой.

Второе начало, или второй закон термодинамики, устанавливает, что любая замкнутая макросистема с течением времени переходит в состояние равновесия и не может его покинуть без внешних организующих воздействий.

Вравновесном состоянии в системе устанавливается наибольший беспорядок, а упорядоченные процессы отсутствуют. Количественной мерой беспорядка в любой системе является специальная величина, называемаяэнтропией и обозначаемаяS. Понятие энтропии было введено немецким физиком Р.Клаузиусом (1822-1888) в 1865 г. Чем больше беспорядка в системе, тем выше ее энтропия. В физике энтропия определяется как отношение энергии беспорядочных процессов, происходящих в системе, к ее абсолютной температуре (абсолютная температура – это температура, выраженная в кельвинах). Энтропия системы равна сумме энтропий ее частей. Приборов, измеряющих эту величину, нет. Рассчитать энтропию количественно можно только для самых простых систем, близких к состоянию равновесия. Согласно второму закону термодинамики, который также называютзаконом роста энтропии,энтропия замкнутых систем либо не изменяется (в равновесном состоянии), либо возрастает и достигает своего максимального значения в состоянии равновесия. Нулевая энтропия соответствует отсутствию беспорядочных процессов, т.е. абсолютному порядку. Таким образом, энтропия является неотрицательной величиной.

Второе начало термодинамики сформулировано как фундаментальный закон природы французским физиком Н.Л.С.Карно (1796-1832) в 1824 г., Р.Клаузисом в 1850 г. и английским физиком У.Томсоном (бароном Кельвином) (1824-1907) в 1851 г. в различных, но эквивалентных формулировках. Р.Клаузиус сформулировал его следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Это утверждение является обобщением опытных данных о том, что в естественных условиях тепло самопроизвольно всегда переходит от системы с большей температурой к системе с меньшей температурой. Согласно формулировке У.Томсона,невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепловой энергии (энергии беспорядочного движения атомов и молекул в веществе) в упорядоченную работу (часть тепла при этом будет рассеяна в окружающей среде).Н.Л.С.Карно первым изучил общие принципы работытепловых машин– устройств, преобразующих тепло в механическую работу. В них тепловая энергия перемещается от горячего тела (например, от пара) к холодному (например, к воде), и при этом часть тепла переводится в механическую работу.

Из второго закона термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя 2-го рода, т.е. устройства, которое в результате кругового процесса полностью преобразовывало бы теплоту в работу, что эквивалентно совершению полезной работы за счет энергии системы, находящейся в состоянии равновесия. Поэтому чтобы совершить механическую работу за счет тепла, полученного от внешнего источника, необходимо заставить контактировать этот источник (нагреватель) с охладителем. Только в такой неравновесной системе в процессе теплообмена между ее частями (нагревателем, рабочим телом и охладителем) можно часть тепловой энергии перевести в работу.

Из невозможности создания вечного двигателя второго рода следует теорема Карно, сущность которой в том, что коэффициент полезного действия(отношение полезной работы к затраченной энергии) любого теплового двигателя не превосходит величины=(Т₁-Т₂)/Т₁ (Т₁ – температура нагревателя, Т₂– температура охладителя). Величину для максимального КПД тепловых машин Карно получил в ходе исследования возможностей повышения эффективности действия реальных тепловых машин.

Второе начало термодинамики можно также сформулировать и так: нельзя извлечь полезную работу из системы, имеющей один энергетический уровень. Состояние термодинамического равновесия макросистемы характеризуется определенным значением тепловой энергии, которая однозначно связана с температурой системы (температура пропорциональна средней кинетической энергии беспорядочного (теплового) движения молекул). Поэтому извлечь тепло такой макросистемы и перевести его в работу (что эквивалентно созданию вечного двигателя 2-го рода) в соответствии со вторым началом термодинамики невозможно. Но если в системе существуют, например, два энергетических уровня, то энергия может переходить с более высокого уровня на более низкий. В соответствии с выражением для максимального КПД тепловых машин, полученным Карно, в изолированной тепловой машине со временем разность Т₁-Т₂будет уменьшаться, т.к. тепло необратимо будет перетекать от нагревателя к холодильнику, пока их температуры не станут равными. А это означает, что доля запасенной в такой машине тепловой энергии, которую можно перевести в работу, постепенно будет уменьшаться. Доля же тепловой энергии, недоступной для такого превращения, со временем будет увеличиваться. Все это свидетельствует о том, что замкнутая неравновесная система постепенно перейдет в равновесное состояние, энергия которого недоступна для превращения в работу.

Существование в системе различных энергетических уровней можно рассматривать как наличие в ней определенной структуры, порядка. Выравнивание энергий эквивалентно разрушению структуры в системе, т.е. переходу от порядка к беспорядку. Поэтому, когда энергия в системе осуществляет переход в направлении, определяемом вторым началом термодинамики, беспорядок, который соответствует максимальной выравненности и симметрии, в ней увеличивается.

Австрийский физик Л. Больцман (1844-1906) дал статистическое обоснование второго закона термодинамики: природные процессы стремятся перевести макросистему из менее вероятного (с меньшим беспорядком) в более вероятное состояние (с большим беспорядком). Таким образом, любой порядок стремится к беспорядку, а полный беспорядок может перейти в порядок только при внешних воздействиях. Энтропия – статистическое понятие, которое используется для характеристики большой совокупности объектов. Для отдельных элементов это понятие не имеет никакого смысла. Второе начало термодинамики также является статистическим законом. Оно определяет тенденцию развития макросистем в природе и обществе. Однако в отдельных случаях энтропия системы может самопроизвольно уменьшаться. Т.е. отклонения от второго начала термодинамики возможны, но маловероятны.

Статистический (вероятностный) смысл энтропии, который установил Л.Больцман, выражается следующей формулой:

S=k lnГ,

где S – энтропия, k – постоянная Больцмана, равная 1.38·10^-23 Дж/К, Г – термодинамическая вероятность, или статистический вес состояния системы, равный числу способов, которыми можно реализовать данное макросостояние системы. Окончательный вид взаимосвязи энтропии с термодинамической вероятностью в виде представленной формулы установил немецкий физик М.Планк (1858-1947).

Второе начало термодинамики установило необратимость и направленность реальных термодинамических, а затем и большинства других природных процессов. Необратимость означает невозможность вернуться в прошлое (абсолютно точно повторить его), что связано с наличием стрелы времени, т.е. несимметричностью процессов во времени. Например, тепло самопроизвольно не может переходить от более холодного тела к более горячему; все люди с возрастом стареют; никто не наблюдал переход звезд со стадии термоядерного синтеза гелия из водорода на стадию протозвезды; любое взаимодействие измерительного прибора с объектом измерения нарушает его первоначальное состояние и т.д. Необратимый рост энтропии ведет к распаду (смерти) макросистемы.

Вначале закономерности развития макросистем были исследованы при изучении тепловых явлений. Затем было показано, что аналогичные процессы происходят в любых макросистемах в природе и обществе. Второе начало термодинамики устанавливает ограничения на возможность перехода беспорядка в порядок и, в частности, на превращение тепла в работу, и задает общее направление природных и общественных процессов – направление в сторону роста энтропии.

Второй закон термодинамики определяет необратимый характер эволюции замкнутых систем. У.Томсон и Р.Клаузиус, применив его к развитию Вселенной, которую они считали изолированной системой, пришли к выводу о неизбежности ее тепловой смерти,т.е. о неизбежности ее перехода в равновесное состояние. Однако в настоящее время считается, что наша Вселенная не является замкнутой системой (из квантовой теории поля следует, что она взаимодействует с физическим вакуумом; существует популярная современная гипотеза о том, что есть и другие вселенные, с которыми наша Вселенная может взаимодействовать). Поэтому тепловая смерть в ближайшее время ей не грозит.

Большинство систем в природе и обществе далеки от состояния равновесия. Это связано с тем, что создать условия, при которых систему можно считать замкнутой, практически невозможно. В теории английского ученого Ч.Дарвина (1809-1882), изучающей эволюцию живого мира на Земле путем преобразования одних биологических видов в другие, рассматриваются открытые системы, т.е. системы, обменивающиеся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Такие системы находятся вдали от равновесного состояния. Ч.Дарвин указал движущие силы биологической эволюции (наследственность, изменчивость и естественный отбор) и определил, что она идет без целенаправленного внешнего вмешательства преимущественно в направлении усложнения строения и функций живых организмов, т.е. в направлении роста упорядоченности. Таким образом, было установлено, что развитие биосферы на Земле происходит с понижением энтропии.

Объединить эволюцию термодинамическую с эволюцией биологической пытался Л.Больцман. Однако ему не удалось разгадать закономерностей превращения хаоса в порядок.

Согласно современным естественно-научным взглядам, в развитии систем могут наблюдаться две противоположные тенденции - самоорганизация и деградация. Упрощение систем - не синоним времени.Самоорганизация- это самопроизвольное (без внешних организующих воздействий) усложнение структуры системы благодаря взаимодействию большого числа ее подсистем, в результате которого в ней происходит создание более упорядоченных структур. Энтропия системы в процессе самоорганизации понижается.Деградация- это упрощение системы, переход из состояния с большим порядком в состояние с меньшим порядком. Деградация сопровождается разрушением системных структур. Ее предельным случаем является полный распад (смерть) системы, т.е. переход в равновесное состояние. Энтропия деградирующей системы с течением времени возрастает.

Так как беспорядок - явление более вероятное, чем порядок, деградация неизбежна. При определенных условиях в открытых макросистемах может наблюдаться локальное понижение энтропии. Однако оно сопровождается увеличением беспорядка в окружающей данную систему среде, что связано с глобальным ростом энтропии, всеобщий характер которого определяется вторым началом термодинамики. Например, чтобы где-то во Вселенной в настоящее время образовалась звезда, необходимо достаточно большое количество вещества, которое можно получить только путем разрушения старых звезд, разбрасывающих при взрывах свою материю в окружающее пространство. При этом на образование новой звезды расходуется не все взорвавшееся вещество. Таким образом, чтобы что-то создать, надо перед этим что-то разрушить, причем количество разрушенного должно превышать количество создаваемого. Созидание всегда «оплачивается» разрушением.

Общие закономерности эволюционной самоорганизации в природе и обществе в настоящее время изучаются в относительно новом междисциплинарном научном направлении - синергетике. Этот термин ввел в начале 70-х гг.XXв. немецкий физик-теоретик Г. Хакен.

Эволюционная самоорганизация в окружающем нас мире шла в следующем направлении: неживая природа, предбиологическая природа, живая природа, общество.

Бельгийский ученый российского происхождения И.Р.Пригожин (1917-2003) одним из первых сформулировал общий принцип возникновения новых упорядоченных структур в процессах развития. Он является основателем неравновесной нелинейной термодинамики, изучающей универсальные закономерности образования пространственно упорядоченных структур в открытых системах вдали от состояния термодинамического равновесия. Устойчивые пространственно неоднородные (упорядоченные) структуры, возникающие в результате развития неустойчивостей в однородной неравновесной диссипативной среде, И.Р.Пригожин назвалдиссипативными структурами. Диссипативная среда- это система, в которой энергия упорядоченных процессов необратимым образом переходит в энергию хаотических процессов. В неравновесных диссипативных открытых системах поглощение энергии может компенсироваться поступлением ее из окружающей среды. В 1947 г. И.Р.Пригожин доказал теорему, названную впоследствиитеоремой Пригожина, согласно которой при внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния, стационарное состояние соответствует минимальной энтропии. В 1977 г. за работы по химической термодинамике И.Р.Пригожину была присуждена Нобелевская премия по химии.

Другой основоположник синергетики Г.Хакен первым стал изучать спонтанное возникновение упорядоченных макроструктур из неустойчивых состояний, в которых может находиться любая неравновесная макросистема.

При экспериментальном изучении самоорганизующихся систем в физике, химии, биологии, геологии, космологии, социологии, экономике, информатике и их моделировании с помощью соответствующих дифференциальных уравнений были установлены универсальные закономерности их эволюционного развития. Следует отметить, что уравнения, моделирующие необратимые во времени процессы, при замене tна -tдолжны менять свой вид.

Перечислим необходимые условия самоорганизации.

1. Самоорганизация может протекать только в неравновесных макросистемах, т.е. неравновесность может быть источником порядка.

2. Для того чтобы в макросистеме могли происходить процессы самоорганизации, она должна быть сложной, т.е. содержать достаточно большое количество взаимодействующих подсистем.

3. Системы, в которых может наблюдаться самоорганизация, должны быть открытыми.

4. Самоорганизация может идти только в диссипативных средах.

5. Для самоорганизации необходимо развитие неустойчивостей при приближении системы к состоянию, называемому точкой бифуркации, выход из которого осуществляется путем скачка системы в одно из возможных качественно новых состояний.

Самоорганизация - это возникновение диссипативных структур, появление которых связывают с переходом систем в менее симметричное, но более устойчивое состояние. Образование диссипативных структур рассматривается как катастрофа, которая связывается со скачком системы в качественно новое состояние при случайных изменениях в ней.

Поведение самоорганизующейся системы в наибольшей степени зависит от самых неустойчивых элементов, или факторов, называемых параметрами порядка. Например, для фазового перехода «газ-жидкость» параметром порядка является плотность вещества; во время кризиса российской экономики в августе 1998 г. параметром порядка являлся курс рубля к устойчивым иностранным валютам. Определяющая роль наиболее неустойчивых переменных в процессах самоорганизации называетсяпринципом подчинения.

Параметры порядка немногочисленны. Они управляют, «дирижируют» поведением всех остальных переменных системы, и именно для них удается составить и исследовать математические уравнения, моделирующие процессы в системе.

Развитие отличается от других динамических процессов, например, от процессов роста, тем, что развивающаяся система при накоплении в ней количественных изменений переходит в качественно новое состояние, и этот переход происходит скачком, который, однако, может быть растянутым во времени. Процесс биологического видообразования, как следует из уравнений популяционной генетики, имеет скачкообразный характер. В социальных системах смена общественно-экономических формаций также происходит скачком. И.Р.Пригожин сформулировалпринцип развитиякак последовательное прохождение системой состояний, в которых нарушается единственность решения уравнения для параметра порядка. Такие состояния называютсяточками бифуркаций.

Вблизи точек бифуркаций в системе наблюдается резкое увеличение флуктуаций(случайных изменений). В результате этого в конечном итоге происходит переход в качественно новое системное состояние. И.Р.Пригожин назвал такой переход«порядком через флуктуации». Выбор пути, по которому пойдет развитие после бифуркации, определяется случайно в момент крайней неустойчивости. Направление эволюции на этом этапе, который называется такжекризисом, становится непредсказуемым. Выход из кризиса осуществляется путем скачка системы либо в качественно новое более упорядоченное состояние, либо в менее упорядоченное состояние, предельным вариантом которого является полная деградация, или переход в равновесное состояние.

Процесс эволюционной самоорганизации состоит из двух этапов:

1. эволюционного этапа(этапа устойчивого развития),на котором система качественно не меняется, но в ней накапливаются количественные изменения; поведение системы на этом этапе предсказуемо и управляемо;

2. этапа кризиса, характеризующегося крайней неопределенностью, неустойчивостью и непредсказуемостью, выход из которого осуществляется в результате скачка системы в одно из возможных качественно новых состояний.

На этапе кризиса параметр порядка меняется непредсказуемым образом, а его колебания характеризуются гораздо большей амплитудой, чем в период устойчивого развития. Причем, экстремальные кризисные значения этого параметра очень сильно отличаются от тех значений, которые он имел на предшествующем эволюционном этапе, а иногда – и от значений на последующем эволюционном этапе. Этот факт может быть использован для прогнозирования поведения системы во время кризиса:параметр порядка на этом этапе достигнет значений, минимум в несколько раз отличающихся от его средней величины до кризиса.

Следует отметить, что для получения более полной информации о развитии самоорганизующейся макросистемы нужно рассматривать изменение нескольких параметров порядка (если они существуют), характеризующих ее поведение.

Неравновесные открытые системы с большим количеством взаимодействующих элементов естественным образом эволюционируют к критическому состоянию, в котором малое воздействие может привести к значительным изменениям. Это явление называется самоорганизованной критичностью. Оно объясняет динамику различных природных и общественных систем, например, земной коры, экосистем, биосферы в целом, рынков акций, экономик отдельных государств или регионов, мировой экономики и т.д.

Кризисы неизбежны при любом эволюционном развитии сложных систем. После них наступает либо новый эволюционный этап, либо система разрушается. Невозможно избежать кризисных состояний, т.к. они являются результатом накопившихся в системе противоречий, которые, в свою очередь, служат источником развития. Можно предсказать кризисы, подготовиться к ним, смягчить их последствия.

Неизбежность смены эволюционного этапа развивающейся системы кризисом приводит к цикличности развития.Для некоторых природных и общественных систем установлена количественная периодичность циклов. Например, уже в концеXIXв. было обнаружено, что в развитии любого капиталистического хозяйства наблюдаются циклы продолжительностью от 7 до 11 лет, во время которых подъем в экономике постепенно сменяется спадом, завершающимся кризисом. Ни ускорение или замедление темпов обращения капитала, ни ускорение научно-технического прогресса, ни другие внешние воздействия не изменили длину этих циклов за прошедшие годы. На территории бывшего СССР наблюдаются в среднем 2 крупных землетрясения каждые 5 лет. Из этого следует, что в указанной области приблизительно 2,5 года необходимо для накопления в эволюционирующей к критическому состоянию земной коре значительных механических напряжений, сброс которых осуществляется путем сильного подземного толчка.

Сформулируем основные закономерности эволюционного развития макросистем.

1. Эволюция необратима.

2. Результаты эволюции случайны и в общем случае непредсказуемы.

3. Возможна эволюционная самоорганизация систем, приводящая к разнообразию и сложности окружающего нас мира.

4. Неизбежна эволюционная деградация систем.

Термодинамическое и статистическое описание макросистем и тепловых процессов. Свойства макросистем описываются на основе дополняющих друг друга подходов:термодинамическогоистатистического (молекулярно-кинетического). Втермодинамикерассматриваются только объекты, состоящие из большого числа частиц. Такие объекты характеризуютсятермодинамическими параметрами- физическими величинами, которые регистрируются термометрами, манометрами и другими приборами, не реагирующими на воздействия отдельных частиц тела. Например, рассматривая газ, для его описания используют такие параметры, как давление p, объем V, температуру T.Термодинамикаизучает превращение энергии в тепловых процессах. Ее понятия и выводы (температура, давление, энтропия, термодинамическое равновесие и т.д.) применимы только к макросистемам.

Термодинамические параметры делятся на внешние, определяемые состоянием окружающих тел, ивнутренние, зависящие от состояния самой системы, т.е. хаотического движения составляющих ее частиц. Относительная величина флуктуаций внутренних термодинамических параметров тем меньше, чем больше число частиц, образующих макросистему. В термодинамике рассматриваются средние значения внутренних термодинамических параметров, а тепловые явления изучаются без учета атомно-молекулярного строения тел.

В соответствии со вторым началом термодинамики, изолированная термодинамическая система со временем переходит в состояние термодинамического равновесия, которое в термодинамике характеризуется тем, что внутренние термодинамические параметры принимают определенные значения, одинаковые для всей системы.

В равновесной системе температура (мера средней кинетической энергии теплового (беспорядочного) движения молекул или атомов вещества) одинаковая во всех ее областях. Для неравновесной системы понятие температуры не имеет смысла. Постулат о существовании температуры тела или системы тел в состоянии термодинамического равновесия называется нулевым началом термодинамики.

Сущность статистического (молекулярно-кинетического)описания свойств макросистем заключается в том, что макрообъект рассматривается как совокупность огромного числа частиц (например, атомов или молекул), движение которых подчиняется законам классической механики. Для изучения такого движения используются статистические методы, позволяющие определять характеристики макросистем на основе усредненных значений скоростей, энергий и других параметров, характеризующих ее частицы. Например, абсолютная температура равновесной макросистемы пропорциональна среднему квадрату скорости теплового (хаотического) движения ее молекул или атомов.

Статистическая физика теоретически объясняет понятия и выводы термодинамики. С точки зрения статистического подхода переход макросистемы из неравновесного в равновесное состояние означает, что при фиксированных внешних термодинамических параметрах в определенный момент распределение частиц системы по скоростям, энергиям, координатам перестает зависеть от времени и начальных условий.

Сформулируем основные положения молекулярно – кинетической теории (МКТ) строения и тепловых свойств вещества:

1. вещество состоит из большого числа частиц - атомов и молекул;

2. между этими частицами действуют силы притяжения и отталкивания;

3. частицы хаотически движутся;

4. интенсивность хаотического движения молекул и атомов определяет температуру.

  Термодинамическое и статистическое понимание основных определений и понятий, используемых для описания макросистем, взаимосвязаны.

Например, с позиций МКТ, внутренняя энергия макросистемы - это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц этой системы и кинетической энергии их теплового движения. Средняя кинетическая энергия хаотического движения частиц пропорциональна абсолютной температуре T, а потенциальная энергия их взаимодействия зависит от расстояний между частицами, т.е. от объема V, который занимает система из N частиц. Поэтому в термодинамике внутренняя энергия U системы определяется как функция ее макроскопических параметров T и V: U = U(T,V).

Согласно первому началу термодинамики, тепло Q, полученное системой, расходуется на изменение ее внутренней энергии U и на совершение этой системой работы А:

Q=U+A.

Первое начало термодинамики устанавливает невозможность создания вечного двигателя 1-го рода – устройства, совершающего работу без подвода энергии. Если этот закон (а он представляет собой одну из формулировок закона сохранения и превращения энергии) применить к тепловой машине, то получится, что от нее нельзя получить больше работы, чем допускает запас тепловой энергии ее нагревателя. И как было отмечено выше, всю энергию нагревателя в соответствии со вторым началом термодинамики нельзя превратить в полезную работу.

Р.Клаузиус в 1865 г. дал общую формулировку первого и второго начал термодинамики: в замкнутой системе полная энергия сохраняется, а полная энтропия не убывает.

Третье начало термодинамики сформулировано М.Планком следующим образом: энтропия равновесной системы стремится к 0 при стремлении температуры к абсолютному нулю. Однако его открытие связано с работами немецкого физика В.Нернста (1864-1941), который в начале ХХ в. экспериментально установил, что теплоемкость (способность тел охлаждаться и нагреваться) при температурах, близких к абсолютному нулю (0 К или –273⁰С), становится очень малой. Согласно формулировке В.Нернста: нельзя изобрести приспособление, отнимающее всю теплоту у системы, т.е. охлаждающее тело до температуры абсолютного нуля. Гипотезу о существовании в природе абсолютного нуля температур выдвинул в ХVIII в. русский ученый М.В.Ломоносов (1711-1765). Он называл такое состояние «последней степенью холода».

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Первые представления о строении вещества. Гипотезы об атомном (дискретном) строении вещества возникли в глубокой древности. Атомы рассматривались древними мыслителями как мельчайшие неделимые частицы вещества.

Считается, что сторонниками атомистических представлений о строении вещества были древнеиндийский мудрец Канада (VIIвек до н.э.), древнегреческие мыслители Левкипп, Демокрит и Эпикур (V–IVвека до н.э.). Существует легенда, что однажды Демокрит (ок. 470–370 до н.э.) сидел на берегу моря, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я сейчас разрежу это яблоко пополам – у меня останется половина яблока; если я затем эту половину снова разрежу на две части – останется четверть яблока; но если я дальше буду продолжать такое деление, всегда ли у меня будет оставаться 1/8, 1/16 и т.д. часть яблока? Или же в какой-то момент очередное деление приведет к тому, что оставшаяся часть уже не будет обладать свойствами яблока?» Демокрит пришел к выводу, что предел такого деления существует, и назвал эту последнюю, неделимую частицуатомом («неразрезаемый»). Он и другие представители древней натурфилософии считали, что все тела в природе состоят из атомов разной формы и размеров, и в этом видели причину их качественных различий.

Противоположной точки зрения придерживался древнегреческий философ Аристотель (384–322 до н.э.), который был сторонником идеи о бесконечной делимости вещества и видел причину качественных различий природных тел в присутствии в этих телах различных элементов, которые являются носителями определенных качеств. В учении Аристотеля этими элементами были вода, огонь, воздух, земля и духовный элемент «квинтэссенция».

Господствующим стало представление Аристотеля, т.к. он имел огромный авторитет в обществе и был близок к властям (Аристотель являлся учителем Александра Македонского). Сочинения Демокрита и других древних атомистов уничтожались. Поэтому их учения сохранились только во фрагментах и свидетельствах современников, а в Европе узнали о них из поэмы древнеримского поэта Тита Лукреция Кара (99–55 до н.э.) «О природе вещей».

В средние века учение об элементах возродили алхимики, которые вслед за Аристотелем под элементами понимали определенные качества. Так, с ртутью они связывали металлический блеск, с серой – горючесть, а с солью – растворимость. Алхимики были убеждены, что, смешав эти качества в определенных пропорциях, можно получить любое вещество в природе (таким способом средневековые алхимики изобрели спирт). Основная заслуга алхимиков состоит в том, что их стихийное экспериментирование привело постепенно к накоплению фактов, без которых химия не возникла бы.

В XVIIвеке идею об атомах возродил французский философ и просветитель П.Гассенди (1592–1655), который в 1647 г. издал книгу с изложением атомистических представлений. В то время это имело огромный риск, т.к. в соответствии со средневековыми традициями гипотезы и факты науки преследовались, если они противоречили общепризнанным догмам.

Атомную гипотезу приняли передовые ученые того времени, и, прежде всего, английский ученый И.Ньютон (1643–1727), поверивший в нее, несмотря на то, что утверждал: «Гипотез не строю!»

Развитие учений о строении вещества в XVII–XIX веках. ВXVII–XVIIIвеках алхимию и натурфилософию заменили физика и химия. Период превращения химии в подлинную науку завершился во второй половинеXVIIIвека, когда М.В.Ломоносовым и французским ученым А.Л.Лавуазье (1743-1794) был сформулированзакон сохранения массы в химических реакциях. А.Л.Лавуазье впервые выделил элементы из химических соединений.

В 1827 г. появилось первое экспериментальное подтверждение атомной гипотезы. Шотландский ботаник Р.Броун (1773–1858), наблюдая в микроскоп за частицами пыльцы растений в жидкости, обнаружил, что они беспорядочно двигаются. Такое движение было названо броуновским. Сторонники концепции атомизма считали, что оно происходит под действием беспорядочных соударений невидимых в микроскоп молекул жидкости (идея о беспорядочном движении частиц вещества была впервые высказана М.В.Ломоносовым вXVIIIвеке).

В 1865 г. австрийский ученый Й.Лошмидт (1821–1895) определил, что размеры атомов приблизительно равны 10^–8см, а масса атома водорода составляет 10^–24г.

Первые представления о химической связи появились в работах русского химика А.М.Бутлерова (1828–1886), который в 1861 г. сформулировал основные положения теории химического строения вещества:

1). Химическое строение – это порядок соединения атомов в молекуле и характер их связей. Химическое строение выражается структурной формулой. Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга.

2). Химическое строение вещества определяет его свойства: т.е. химические свойства вещества зависят от вида и количества атомов в молекулах, от типов химических связей атомов в молекулах, а также от пространственного расположения атомов в молекулах.

На основе этой теории были предсказаны новые вещества и синтезированы различные красители для тканей, лекарственные препараты, взрывчатые вещества, искусственный шелк и т.д.

В 1869 г. русский ученый Д.И.Менделеев (1834–1907) разработал Периодическую систему химических элементов(тогда известно было 63 элемента), из которой следовало, что атомы имеют единую природу, а их свойства периодически меняются. Д.И.Менделеев расположил элементы в таблице согласно возрастанию их атомной массы и присвоил каждому элементу порядковый номер. Только 36 из 63 элементов подчинялись в системе Д.И.Менделеева принципу возрастания атомной массы. Для 5 предсказанных элементов он оставил в таблице пустые места. Согласно современной формулировкеПериодического закона,свойства химических элементов, а также свойства образованных из этих элементов веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома элемента, равного его порядковому номеру в таблице Д.И.Менделеева.

Модели атомов. До концаXIXвека атомы считали неделимыми твердыми шариками.

В 1834 г. английский физик М.Фарадей (1791–1867) установил законы электролизаи ввел понятие заряженного атома –иона. В опытах по изучению электролиза он впервые определил количество электрического заряда, равное е = 1.6 • 10^–19Кл. Заряда меньшего, чем этот элементарный заряд, обнаружить в природе до сих пор не удалось. В 1891 г. это наименьшее количество заряда получило названиеэлектрон.

В 1896 г. французским ученым А.А.Беккерелем (1852–1908) было обнаружено испускание солью урана особых невидимых лучей сильной проникающей способности. Так было открыто новое явление, названное в 1898 г. М.Склодовской-Кюри (1867–1934) радиоактивностью. За изучение этого явления А.А Беккерелю и супругам П.Кюри (1859–1906) и М.Склодовской-Кюри в 1903 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

В дальнейшем исследование радиоактивности показало, что оно обусловлено самопроизвольным распадом атомов на заряженную частицу, которая воспринимается как радиоактивное излучение, и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличный от исходного; образовавшийся при распаде атом также может оказаться радиоактивным и испытать дальнейший распад. К таким выводам о природе радиоактивности пришли английские ученые Э.Резерфорд (1871–1937) (Нобелевская премия 1908 г.) и Ф.Содди (1877–1956) (Нобелевская премия 1921 г.).

В настоящее время установлено, что радиоактивные процессы могут быть следующих видов: -распад(образуются ядро гелия₂Не⁴, которое называется α-частицей, и ядро нового элемента),-распад(образуются ядро нового элемента и электроны с антинейтрино или позитроны с нейтрино),-излучение(ядро элемента переходит в состояние с меньшей энергией, и излучается квант электромагнитного излучения),спонтанное деление ядер(образуются ядра новых элементов, нейтрон, и излучается гамма-квант),протонная радиоактивность(образуются ядро нового элемента и протон),кластерная радиоактивность(образуются дочернее ядро и кластеры – ядра элементов с массовыми числами от 14 до 34).

Подтверждения о том, что атом имеет структуру, были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в разреженных газах. Оказалось, что катодные лучи – это поток быстрых отрицательно заряженных частиц, размер которых много меньше размера атома. В 1897 г. английскому физику Дж.Дж.Томсону (1856–1940) (Нобелевская премия 1906 г. по физике) удалось определить заряд и массу этих частиц, являющихся составной частью всех атомов. Оказалось, что масса таких частиц приблизительно в тысячу раз меньше массы атома водорода, а заряд по модулю равен е. Так был экспериментально открыт электрон.Современные значения заряда и массы электрона:е= –1,601•10^-19Кл,m_е=9,109 •10^-31кг.

В 1904 г. Дж.Дж.Томсон предложил модель атома, в которой внутри положительно и равномерно заряженного атома-шара диаметром 10^-8см плавают отрицательно заряженные электроны, упруго связанные с ним; суммарный заряд электронов по модулю равен заряду шара, так что в целом атом электрически нейтрален. В модели Томсона предполагалось, что под действием внешних сил электроны совершают колебания, которые являются ускоренными движениями. А любая ускоренно движущаяся заряженная частица, согласно электромагнитной теории английского физика Дж.К.Максвелла (1831–1879), должна излучать энергию. Таким образом, с помощью модели Томсона можно было объяснить излучение света атомами различных веществ. Положительно заряженных частиц внутри атома эта модель не предполагала, хотя к тому времени экспериментально было обнаружено испускание радиоактивными веществами α-частиц, имеющих положительный электрический заряд.

Э.Резерфорд в 1911 г. предложил планетарную модель атома на основе результатов проведенных под его руководством опытов по рассеянию различными веществами положительно заряженных -частиц, в ходе которых было обнаружено, что-частицы не только рассеиваются, но и могут быть отброшены назад. Отбрасывать-частицу могла только положительно заряженная частица. Поэтому Резерфорд предположил, что в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого за счет кулоновского притяжения по разным орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Т.к. масса электрона мала, то практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Ядро и электроны занимают небольшую область в атоме. Заряд ядра в атоме равен по модулю суммарному заряду всех электронов. Диаметр ядра имеет величину порядка 10^–15 м, что в 10⁵раз меньше, чем диаметр атома (10^–10 м). Однако такая модель не смогла объяснить устойчивости атомной системы: на круговой орбите электрон движется ускоренно и поэтому, по теории Максвелла, должен терять энергию на излучение; это излучение является интенсивным, и через 10^–11с электрон должен вследствие этого упасть на положительное ядро. Ничего похожего в природе не происходит. Также модель Резерфорда не могла объяснить наблюдаемые экспериментально линейчатые спектры излучения атомов различных веществ (непрерывное уменьшение радиуса орбиты электрона, приводящее к непрерывной потере энергии на излучение, должно было соответствовать не линейчатому спектру, состоящему из совокупности дискретных спектральных линий определенной частоты, а непрерывному или сплошному спектру излучения).

Модель атома Резерфорда развил датский физик Н.Бор (1885–1962) (лауреат Нобелевской премии 1922 г.). В 1913 г. он сформулировал постулаты на основе соединения в единое целое опытных закономерностей линейчатых спектров атомов, модели атома Резерфорда и квантового характера излучения и поглощения света.

Согласно 1-ому постулату (о стационарных состояниях электрона в атоме), электроны в атоме могут двигаться вокруг положительно заряженного ядра только по определенным орбитам, которые Бор назвалстационарными.Двигаясь по этим орбитам, электроны не излучают и не поглощают энергию.

Согласно 2-ому постулату (о квантах излучения), излучение и поглощение электромагнитных волн происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. Частота излучения определяется формулой А.Эйнштейна (1879–1955):

h = Е₂ – Е₁ ,

где h– энергия кванта излучения,– его частота,Е₂– энергия стационарного состояния электрона до перехода,Е₁– энергия состояния электрона после перехода.

Согласно правилу квантования, предложенному Н.Бором, стационарные орбиты, на которых электроны не подчиняются законам классической физики, определяются следующим условием:

m_ev_nr_n = nh/2,

где m_e– масса электрона,v_n– скорость электрона на орбите с номеромn(n - целое положительное число),r_n– радиус орбиты,h– постоянная Планка, равная 6,62^.•10^-34Дж•с.

Модель атома Бора объяснила устойчивость атомных систем и экспериментально наблюдаемые спектры излучения и поглощения света водородоподобных атомов. Построить строгую количественную теорию для атомов остальных химических элементов таблицы Д.И.Менделеева на основе представлений Бора не удалось. Противоречивость теории Бора в том, что в ней одновременно используются квантовые представления и законы классической физики.

После открытия в опытах Резерфорда положительно заряженного ядра ученые стали проводить исследования по определению величины его заряда, а, следовательно, и числа электронов в атомах.

В 1913 г. голландский юрист Ван ден Брук (1870–1926), занимавшийся наукой в свободное от работы время, высказал предположение, что порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева пропорционален заряду ядра его атома.

В том же году, изучая рентгеновские спектры различных элементов, эту гипотезу доказал один из учеников Э.Резерфорда англичанин Г.Мозли (1887–1915). Он установил, что все известные химические элементы расставлены Менделеевым в таблице верно, а пустые клетки соответствуют еще неоткрытым элементам. После работ Мозли стало ясно, что химический элемент - этосовокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.Наименьшей частицей химического элемента, еще сохраняющей его свойства, являетсяатом, а наименьшей частицей, сохраняющей химические свойства вещества, являетсямолекула.

Дальнейшее развитие учение об атомах получило в работах создателей квантовой механики: французского ученого Л.В. де Бройля (1892–1987) (Нобелевская премия 1929 г.), немецких ученых В.Гейзенберга (1901–1976) (Нобелевская премия 1932 г.) и М.Борна (1882–1970) (Нобелевская премия 1954 г.), швейцарского ученого В.Паули (1900–1958) (Нобелевская премия 1945 г.) и австрийского ученого Э.Шредингера (1887–1961) (Нобелевская премия 1933 г.).

В 1923 г. Л.В. де Бройль на основе развития представлений о корпускулярно-волновой природе света выдвинул гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме всех частицв природе (в том числе и электрона):все частицы материи наряду с корпускулярными свойствами обладают также и волновыми свойствами.Длина волны, которая сопоставляется каждой частице, была названадлиной волны де Бройля.Она определяется следующей формулой:

 = h / р,

где – длина волны частицы,р– ее импульс,h –постоянная Планка.

Гипотеза де Бройля была подтверждена в экспериментах по наблюдению дифракционной картины при рассеянии электронов, нейтронов, атомных и молекулярных пучков на атомах различных металлов. Она наблюдалась в виде неодинакового распределения потоков микрочастиц, рассеянных в различных направлениях.

Наличие волновых свойств у частиц – общее свойство материи. Однако для макротел волновые свойства экспериментально не наблюдаются, т.к. их длина волны настолько мала, что не доступна измерению с помощью современных приборов (минимальный размер, доступный экспериментальным измерениям, составляет сейчас примерно 10^-18м).

Корпускулярно-волновая двойственность электрона приводит к тому, что его нельзя локализовать в пространстве в данный момент времени, т.к. не имеет смысла говорить о длине волны в данной точке. Поэтому и понятие траектории движения теряет для электрона, как и для любой другой микрочастицы, всякий смысл. Таким образом, электрон оказывается «размазанным» в пространстве в пределах своей длины волны. Учитывая соотношение для длины волны частицы, можно сделать вывод о том, что электрон с определенной в данный момент времени проекцией импульса на заданную ось имеет неопределенную координату, и наоборот. К такому выводу пришел в 1927 г. В.Гейзенберг, сформулировавший принцип неопределенностей и предложивший соответствующеесоотношение неопределенностей:

х • р_х  h/4,

где х- неопределенность координаты электрона,р_х- неопределенность проекции импульса электрона на ось х.

Принцип неопределенностей – строгий закон природы, который не связан с несовершенством приборов. Он утверждает: нельзя одновременно определить положение и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Точно так же, как нельзя превысить скорость света или достичь абсолютного нуля температур. Таким образом, определить, где в атоме в данный момент времени находится тот или иной электрон, не представляется возможным, и поэтому можно говорить лишь о вероятности нахождения электрона в той или иной области атома.

В 1926 г. М.Борн выдвинул предположение, что вероятность нахождения микрочастицы в данный момент времени в определенном состоянии, характеризуемом координатами х, у и z, определяется квадратом модуля амплитуды волн де Бройля, названнойволновой функциейи обозначаемой:ψ(х,у,z,t). Волновая функция – это синтез волновых и корпускулярных свойств микрочастиц, с помощью нее в квантовой механике описывается их состояние.

Основное уравнение квантовой механики предложил в 1926 г. Э.Шредингер. Уравнение Шредингераявляется дифференциальным уравнением второго порядка для волновой функции; оно не выводится, а постулируется, как и уравнения Ньютона и Максвелла в классической физике:

² + 8²m/h² (E – U(х,у,z)) = 0,

где ² = ²/х² + ²/y² + ²/z²– сумма вторых частных производных волновой функциипо координатам x, y и z;m– масса частицы;h – постоянная Планка;U– потенциальная энергия взаимодействия частицы с внешней средой;Е– полная энергия частицы.

Пространство вокруг ядра атома, в котором наиболее вероятно нахождение электрона определенного типа, называют атомной орбиталью, или простоорбиталью. Атомная орбиталь – это волновая функция электрона в атоме. Из уравнения Шредингера следует, что орбитали характеризуютсяквантовыми числами, которые полностью описывают состояние электрона в атоме.

Главное квантовое числоnопределяет общую энергию электрона в атоме, или номер егоэнергетического уровня (оболочки),и принимает целочисленные значения от1до. Приn = электрон покидает атом.

Орбитальное квантовое числоl, принимающее для данногоn значения0, 1, 2,...(n-1),характеризует форму электронной орбитали, или форму электронного облака в атоме; формы электронных облаков не могут быть произвольными. Орбитали сl=0называютсяs-орбиталями, сl=1–р-орбиталями, сl=2 –d-орбиталями,сl=3 – f-орбиталямии т.д. Состояния электрона, которые для данногоn характеризуются различными значениямиl, называютсяэнергетическими подуровнями, илиподоболочками.

Магнитное квантовое число m_lопределяет ориентацию электронного облака или направление орбитали в пространстве при взаимодействии магнитного поля электрона с внешним магнитным полем. Оно принимает для данногоlцелые значения в интервале-l, …0,…+l(всего 2l+1 значений).

Если l= 0, тоm_l= 0 и возможна только одна орбиталь вs-подуровне.

Если l= 1, тоm_l= -1, 0, +1 и возможны три орбитали вр-подуровне.

Если l= 2, тоm_l= -2,-1, 0,+1,+2 и возможны пять орбиталей вd-подуровне.

Если l= 3, тоm_l= -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 и возможны семь орбиталей вf-подуровне.

Спиновое квантовое число sхарактеризует проекцию на осьzсобственного момента импульса электрона(спина)и принимает для данногоm_lтолько два значения±1/2.

В природе существуют частицы с целым (в единицах h/2) спином, называемыебозонами (например, фотоны), и частицы с полуцелым (в единицах h/2) спином, называемыефермионами(например, электроны, протоны, нейтроны). Для всех фермионов действуетпринцип запрета Паули, который В.Паули первоначально сформулировал в 1924 г. для электронов:в системе в одном квантовом состоянии, характеризуемом набором определенных квантовых чисел, не может находиться более одного фермиона.

Распределение электронов по орбиталям определяется энергиями орбиталей, а также принципом Паулииправилом Хунда.

Применив принцип Паули к электронам в атоме, получим, что в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа – n, l, m, s – одинаковые.

Немецкий физик Ф.Хунд установил правило, согласно которому в основном состоянии атом должен иметь максимально возможное число неспаренных электронов в пределах определенного подуровня. Основное состояние атома– это наиболее устойчивое его состояние, в котором электроны занимают орбитали с наименьшей энергией.Меньшим энергиям соответствует меньшее значение суммыn+l. Спаренные электроны – это два электрона, которые имеют одинаковые значения квантовых чиселn, l и m_l, но разные значения спинового квантового числаs, равные соответственно 1/2 и –1/2. Когда на орбитали с определенным значениемm_lнаходится только один электрон, он являетсянеспаренным.

Создание квантовой механики, законам которой подчиняется движение электронов в атоме, показало, что постулаты Бора являются следствиями основных положений этой теории. Представление о стационарных орбитах электрона в атоме оказалось условным.

Строение атомных ядер. Ядро атома открыто в опытах Э.Резерфорда в 1909 – 1911 гг. В 1913 г. Г.Мозли установил, что заряд ядраq_яопределяется следующей формулой:

q_я = Z•е,

где е– абсолютное значение заряда электрона,Z– порядковый номер химического элемента в таблице Д.И.Менделеева. В 1919 г. Э.Резерфорд осуществил первое в истории искусственное превращение химических элементов – первую ядерную реакцию в лабораторных условиях, одним из продуктов которой оказалсяпротон (р).Протон – это ядро атома водорода. Заряд протонаq_p=+е, а массаm_p=1.6726•10^-27кг. Если предположить, что ядро состоит только из протонов, то тогда масса ядра должна быть равнаm_я=Z•m_p. Для всех элементов за исключением водорода масса ядра в среднем в два раза больше указанного значения.

В 1932 г. английский физик Дж.Чедвик (1891–1974) (Нобелевская премия 1935 г.) открывает частицу, не имеющую электрического заряда, масса которой равна m_n=1.67496•10^-27кг. Эту частицу назвалинейтроном.

Впоследствии было установлено, что свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада, равным 10.7 минут (период полураспада– это время, в течение которого распадается половина от количества нестабильных элементарных частиц или ядер) .

Сразу же после открытия нейтрона была выдвинута гипотеза о протонно-нейтронной структуре атомного ядра, которую предложили в 1932 г. одновременно советский физик Д.Д.Иваненко (1904–1994), В.Гейзенберг и итальянский ученый Э.Майорана (1906–1938). Согласно этой гипотезе, ядро атома состоит из протоноври нейтроновn, называемыхнуклонами.Нуклоны связаны в ядре прочнымиядерными силами, обусловленными существованием в природесильного (ядерного) фундаментального взаимодействия. Как правило, нейтрон в атомном ядре стабилен, но иногда распадается как в свободном состоянии, причем протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино излучаются.

Число протонов (зарядовое числоатома) в ядре атома любого химического элемента равно порядковому номеруZэтого элемента в периодической системе Д.И.Менделеева и определяет положительный заряд ядра атома.

Важной характеристикой ядра является его массовое числоА, равное общему числу протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, то есть числу нуклонов:

А = Z+N,

где N– число нейтронов в ядре атома. При обозначении ядер химических элементов нижний левый индекс его символа указывает зарядовое число, а верхний правый индекс – массовое число:_ZX^A (X – символ элемента).

Атомы с различным числом протонов и нейтронов, но одинаковым массовым числом, называются изобарами.Например,₁₈Ar⁴⁰и₁₉К⁴⁰.

Атомы с одинаковым числом протонов, но разным количеством нейтронов, а следовательно, разным массовым числом, называются изотопами.Они занимают одно и то же место в таблице Д.И.Менделеева. Поэтому изотопы имеют одинаковые химические свойства, а их физические свойства могут несколько отличаться из-за разных атомных масс. Например, кальций имеет изотопы:₂₀Са⁴⁰ и₂₀Са⁴². Как правило, каждый элемент в природе встречается в виде совокупности нескольких изотопов. Поэтому атомные массы элементов, указанные в таблице Д.И.Менделеева, не имеют целочисленных значений.

Массы протонов и нейтронов в ядре меньше их масс в свободном состоянии. Разность между массой протонов и нейтронов, образующих ядро, и массой ядра m_я называетсядефектом масс и обозначается∆m:

∆m = Zm_p + Nm_n – m_я.

Поэтому для того чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны, ему нужно сообщить определенную энергию, которая называется энергией связи ядра∆Еи рассчитывается по формуле

∆Е = ∆mс²,

где с– скорость света в вакууме.

Наибольшей удельной энергией связи(энергией связи, приходящейся на один нуклон) в природе обладают ядра, находящиеся в середине таблицы Д.И.Менделеева (протоны и нейтроны при их образовании «теряют» больше массы, чем при образовании других ядер). Поэтому при расщеплении тяжелых ядер и соединении легких можно получать достаточно большую энергию. Первый тип процессов осуществляется при радиоактивных распадах ядер, в современных ядерных реакторах на АЭС и других объектах, а также при взрыве обычной атомной бомбы. Второй тип процессов происходит в недрах звезд, обеспечивая их светимость, и при взрывах водородных бомб на Земле.

Современное определение химического элемента: химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть с одинаковым числом протонов в ядре.

Химические элементы с порядковыми номерами Z>92 получены с помощью искусственных ядерных превращений.

Строение молекул и химическая связь. Химическая связь– это связь между атомами в молекуле или между атомами разных молекул. Она осуществляется за счет взаимодействия электронов.Химическая связь обусловлена электромагнитным взаимодействием.

Во всех своих проявлениях химическая связь является результатом перестройки внешних электронных оболочек связывающихся атомов с одновременным образованием единого электронного облака, сопровождающимся понижением энергии всей системы. Описать химическую связь в молекуле – значит выяснить, как распределяется в ней электронная плотность. В зависимости от характера распределения электронной плотности в молекуле различают 3основных типа химической связи:ковалентную, ионную, металлическую. Между различными молекулами могут возникатьводородные и ван-дер-ваальсовы связи.В большинстве соединений имеет место наложение разных типов связей.

Энергия химической связи– это энергия, необходимая для того, чтобы разорвать химическую связь. Чем больше перекрывание орбиталей атомов, тем больше энергия связи и тем прочнее химическая связь. Самая высокая энергия у ковалентных связей.

Первые квантовомеханические концепции химической связипоявились в 20-х годах ХХ века. В частности, было установлено, что химическая связь образуется только тогда, когда при сближении атомов потенциальная энергия системы понижается. Другими словами, образование молекулы происходит при условии, что возникает энергетическое состояние с более низкой потенциальной энергией, чем у исходных атомов. К такому выводу пришли в 1927 г. ученые В.Гейтлер и Ф.Лондон на основе расчетов молекулы водорода. Из проведенного ими анализа уравнения Шредингера, описывающего систему, состоящую из двух атомов водорода, следует, что потенциальная энергия такой системы имеет минимум, если у взаимодействующих атомов «спариваются» электроны с противоположно направленными спинами.

Объяснение возникновения химической связи путем образования общей электронной пары, в которую входят по одному электрону от каждого атома, впервые было предложено американским ученым Г.Н.Льюисом (1875–1946) в 1916г.

Ковалентная связь– это химическая связь, образуемая общей парой электронов, имеющих противоположные спины. Общая (поделенная) электронная пара образуется за счет перекрывания атомных орбиталей. Ковалентная связь является самой прочной из всех химических связей.

Если общая электронная плотность расположена в молекуле симметрично относительно обоих атомов, то соответствующая ковалентная связь называется неполярной. Неполярная ковалентная связь возникает между атомами с одинаковойэлектроотрицательностью (ЭО), например, при образовании молекул простых веществ из одинаковых атомов:О₂,Cl₂,N₂и т.д. ЭО характеризует способность атомов присоединять электроны; чем больше величина ЭО, тем больше способность атома присоединять электроны в процессе образования связи между атомами.

Ковалентная связь называется полярной, если общая электронная плотность смещается к атому с большей электроотрицательностью.

Для образования наиболее прочной ковалентной связи реагирующие атомы ориентируются в направлении наибольшего перекрывания своих электронных орбиталей (облаков).

Пространство в молекуле, в котором велика вероятность нахождения электрона, называется молекулярной орбиталью. Более строгое определение: молекулярная орбиталь – это волновая функция электрона в молекуле; квадрат модуля этой волновой функции определяет вероятность нахождения электрона в заданной области молекулы.

Ионная связь– это химическая связь, возникающая за счет электростатического притяжения между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из двух взаимодействующих атомов. Ионная связь представляет собой предельный случай ковалентной полярной связи.

Из квантовой механики следует, что полное разделение зарядов с возникновением идеальной ионной связи А¹⁺В^1–никогда не может осуществиться, так как из-за волновых свойств электрона вероятность его нахождения вблизи ядра атома А никогда не равна 0. Поэтому идеально ионных соединений в природе не существует.

Атом водорода, соединенный в молекуле ковалентной полярной связью с сильно электроотрицательным атомом (F,O,N,Cl,S), способен к образованию ещё одной химической связи с подобным атомом соседней молекулы. Такая связь называетсяводородной. По прочности водородная связь слабее ковалентной.

Огромную роль играют водородные связи в химии белков. Они обеспечивают белкам вторичную и третичную структуры. Из-за невысокой прочности водородные связи легко возникают и легко разрываются, что является важным фактором для биологических процессов.

В настоящее время установлено, что водородные связи играют большую роль в механизме наследственности. Форма молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), обеспечивающей передачу наследственной информации от поколения к поколению, сохраняется в основном благодаря водородным связям между составляющими её звеньями. Процесс удвоения ДНК сводится к воссозданию системы распределения водородных связей.

Существует предположение, что механизм памяти связан с хранением информации в молекулах с большим числом водородных связей.

Металлическая связь– это связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения ими электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Валентные (внешние) электроны в таких веществах слабо связаны с ядром из-за малой величины ЭО атомов металлов и легко перемещаются по всему кристаллу, образуя электронный газ. Тем самым электроны принимают участие в образовании связи между всеми атомами кристалла. Эта связь является нелокализованной, т.к. электроны не принадлежат какому-то одному или двум атомам.

Свободные перемещения электронов по кристаллу определяют основные характеристики металлов – высокую электро- и теплопроводимость.

Число химических связей, образованных данным атомом в соединении, называется его валентностью. Она определяется числом неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и свободных орбиталей валентного (внешнего) уровня.

При возбуждении атомов (при поглощении ими определенной энергии) может происходить распаривание электронов и переход одного из ранее спаренных электронов на свободную орбиталь в пределах одного энергетического уровня. При этом спины электронов сохраняют свое направление. Этим объясняется переменная валентность атомов многих элементов в таблице Д.И.Менделеева, а также наличие отличной от 0 валентности у атомов, имеющих в основном состоянии на внешнем незаполненном энергетическом уровне только спаренные электроны.

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ВСЕЛЕННОЙ

Общие представления о Вселенной. Видимая Вселенная, или Метагалактика – это вся окружающая нас часть материального мира, доступная наблюдениям и измерениям. Максимальное расстояние, с которого можно принимать физические сигналы, называется горизонтом событий, или космологическим горизонтом. Оно равно в настоящее время примерно 10²⁶ м. Считается, что именно на такое расстояние свет или другое электромагнитное излучение успели распространиться за время существования Вселенной, которое, по оценкам ученых, составляет сейчас около 14 млрд. лет. Область науки, изучающая Вселенную, называется космологией.

Вселенная содержит разнообразные материальные объекты – элементарные частицы, атомы, молекулы, планеты, звезды, галактики, скопления галактик, межзвездные и межгалактические пыль и газ, а также физические поля. Основными крупномасштабными структурами во Вселенной являются галактики и звезды.

Звезды– это гигантские светящиеся раскаленные газовые (плазменные) шары, равновесие которых обеспечивается балансом между гравитационной силой и давлением горячего вещества (газа) и излучения. Их светимость обеспечивается энергией, выделяющейся в ядерных реакциях, протекающих в звездных недрах при высоких температурах и давлениях. Звезды различаются по массе, размеру, составу, светимости, температуре поверхности, возрасту. Невооруженным глазом на небе можно увидеть около 6000 звезд.

Галактики – это совокупности огромного количества звезд, межзвездных пыли, газа и других небесных объектов, объединенных в единую систему силами всемирного тяготения. Их размеры составляют примерно 10²⁰–10²² м, а массы, оцениваемые по светящемуся веществу, изменяются в широком диапазоне: от 10⁶М_сдо 10¹²М_с(М_с– масса Солнца, равная 1.99∙10³⁰кг). Число звезд в галактиках может достигать сотен и даже тысяч миллиардов. Однако существуют и карликовые галактики, содержащие десятки миллионов звезд. В видимой Вселенной, по оценкам ученых, могут находиться сотни миллиардов галактик. Солнечная система входит в состав галактики, которая называетсяМлечный Путь.Большинство галактик во Вселенной, как и большинство звезд, являются карликовыми. В марте 2003 г. японские ученые обнаружили в созвездииВолосы Вероники самую удаленную из известных в настоящее время галактик: свет, достигающий Земли сейчас, был испущен ею около 12.8 млрд. лет назад. За многие миллиарды лет существования Вселенной галактики рождались, умирали, разбегались и соединялись, поглощая друг друга и образуя новые звездные системы.

Галактики распределены во Вселенной не хаотично. Они сгруппированы в скопления, которые являются составными частями более крупных объектов – сверхскоплений галактик. Характерный размер скоплений – 10²³ м, сверхскоплений –10²⁴м. Млечный Путь вместе с ближайшей к нему крупной галактикой Туманностью Андромеды, которая находится на расстоянии 2.3 млн. световых лет от нас (световой год – это расстояние, которое проходит свет за один земной год в вакууме), и 34 меньшими галактиками входят в состав скопления, названного Местной группой, поперечный размер которого приблизительно равен нескольким миллионам световых лет. Ученые предполагают, что многие галактики, включая Млечный Путь, образовались миллиарды лет назад путем соединения более мелких. 90% общей массы Местной группы заключены в Туманности Андромеды и Млечном Пути.

Звезды в галактиках находятся на огромных расстояниях друг от друга. Свет от ближайшей к Солнечной системе видимой звезды α-Центаврадоходит до нас за 4.3 года, от центра нашей Галактики (Солнечная система находится на ее окраине) – примерно за 28 тыс. лет, от видимых границ Вселенной – за время, превышающее 10 млрд. лет.

Современные телескопы, регистрирующие свет, радиоволны, рентгеновское излучение и другие виды излучений, приходящих из космоса, позволяют видеть звезды, удаленные от нас на миллиарды световых лет. Но мы видим их не такими, каковы они сейчас, а такими, какими они были давным-давно, когда их свет начал движение в нашу сторону. Поэтому можно сказать, что мы видим прошлое.

В конце 70-х годов ХХ в. было установлено, что Вселенная имеет ячеистую структуру и что галактики располагаются вблизи границ ее ячеек.

При изучении Вселенной и ее свойств предполагается, что фундаментальные законы природы, установленные и проверенные в земных условиях, остаются верными для всей Вселенной и что все явления и процессы, наблюдаемые в ней, могут быть объяснены на основе этих законов.

На многие вопросы космологии пока нет ответов. Так, например, неизвестно, почему универсальные физические постоянные (УФП)в нашей Вселенной имеют такие определенные значения. Возможно, они стали такими случайно при ее рождении. Тогда в соответствии стонкой подстройкой Вселенной(зависимостью свойств Вселенной от значений УФП) случайны и действующие в ней законы, которые обеспечили возникновение разнообразных структур в окружающем мире, в том числе и появление человека. Неизвестно также, почему во Вселенной наблюдаетсябарионная асимметрия(преобладание вещества над антивеществом) и верен лиантропный принцип,заключающийся в том, что Вселенная должна обеспечить существование в ней наблюдателя за ее свойствами.

В настоящее время допускается, что могут существовать и другие вселенные, в каждой из которых реализуются свой набор УФП и, следовательно, свои законы.

Расширение Метагалактики. Во Вселенной главными являются силы тяготения, за счет которых массы притягиваются друг к другу. Именно эти силы приводят к тому, что звездные системы не могут в среднем находиться на неизменном расстоянии друг от друга: они должны либо удаляться, либо сближаться. К такому выводу пришел в 20-е годы ХХ в. отечественный математик А.А.Фридман (1888–1925), получивший из уравнений общей теории относительности (ОТО) А.Эйнштейна (1879–1955) такие решения, из которых следоваланестационарность нашей Вселенной: ее расширение или сжатие. Однако тогда в это не мог поверить даже сам А.Эйнштейн.

Приблизительно в то же время астрономы обнаружили, что спектры излучения далеких звезд смещены в красную сторону по сравнению со спектрами ближних звезд. Это можно было объяснить с помощью эффекта, открытого в 1842 г. австрийским ученым Х.Доплером (1803-1853), если предположить, что галактики удаляются от Земли. Согласно эффекту Доплера, если объект, излучающий волны любой природы, приближается к наблюдателю, то наблюдатель будет регистрировать волны меньшей длины, а если объект удаляется – то большей. Таким образом, излучение приближающегося объекта смещается для наблюдателя в фиолетовую часть спектра, а удаляющегося – в красную. Доплеровское смещение длин волнсвязано со скоростью движения источника относительно наблюдателяvследующей формулой:

z=/₀= (1+v/c)/(1–v²/c²)^1/2– 1,

₀,

где ₀– длина волны излучения, регистрируемая наблюдателем от покоящегося источника;– длина волны излучения, регистрируемая наблюдателем от того же источника, если он движется относительно него со скоростьюv;z– относительное смещение длин волн; с – скорость света в вакууме, равная 3∙10⁸м/с.

В 1929 г. американский астроном Э.Хаббл (1889–1953) (именно в его честь назван орбитальный телескоп, запущенный в 1990 г. и ставший одним из основных приборов при изучении Вселенной) на основе анализа составленных им каталогов спектров галактик и расстояний до них обнаружил, что большинство галактик удаляются от Земли и что их спектры смещены в красную область сильнее, если они находятся дальше от нас. Т.е. чем больше расстояние между галактиками r, тем выше скорость их разбеганияv. Это утверждение называетсязаконом Хаббла. Его можно выразить следующей формулой:

v=r/,

где – возраст Вселенной.

Разбегание галактик, обнаруженное Э.Хабблом, свидетельствовало о расширении Вселенной и таким образом подтвердило гипотезу А.А.Фридмана. Однако имеются и исключения из общего правила: некоторые галактики сближаются. Например, Млечный Путь и Туманность Андромеды. Это было установлено еще в 1914 г. американским астрономом В.Слайфером (1875-1969), который определил, что Туманность Андромеды приближается к нам со скоростью около 300 км/с. В.Слайфер первым стал получать спектры излучения галактик и регистрировать красные и фиолетовые смещения спектральных линий в них.

У Вселенной нет центра, от которого разлетались бы галактики. Их разбегание непрерывно увеличивает расстояние между ними. При этом размеры самих галактик практически не меняются, т.к. между их объектами действуют огромные силы гравитационного притяжения.

В 1998 г. установлено, что во Вселенной в настоящее время доминирует сила отталкивания и что она расширяется в современную эпоху ускоренно. Природа темной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной, неизвестна.

Расширение нашей Вселенной означает, что существовало начало нашего мира, которое сейчас называют сингулярностью.

Происхождение Вселенной. В 1948г. Г.Гамов (1904–1968), эмигрировавший из СССР в США, выдвинул гипотезу рождения Вселенной в результатеБольшого Взрыва, который положил начало ее расширению и создал пространство, время, материю, а, следовательно, и энергию окружающего нас мира. Сейчас эта гипотеза называетсятеорией горячей Вселенной.Предполагается, что Вселенная возникла из кипящего вакуума, а выход из сингулярности (сверхплотного (10⁹⁶кг/м³) и горячего (Т10³²К) состояния материи, которое не описывается современными научными теориями) путем Большого Взрыва произошел в миллиардные доли секунды. Недавно ученые обнаружили наличие в Метагалактике особой формы энергии, которая, вероятно, вызвала раздувание вакуума, в результате которого и появилась Вселенная.

Из теории Г.Гамова следует, что ранняя Вселенная имела очень высокую температуру (100 млрд. К) и большую плотность (10¹²кг/м³) (плотность известного вещества в современном космосе около 3·10^-31г/см³, а температура - примерно 4 К). Расширяясь, она охлаждалась. Начальная стадия быстрого расширения Вселенной названаинфляцией. До возраста, приблизительно равного 300 тыс. лет, она состояла из горячего вещества (электронов, позитронов, протонов, нейтронов, нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотонов), которые взаимодействовали между собой и равномерно заполняли пространство ранней Вселенной. Приблизительно через 100 с после Большого Взрыва в ее достаточно горячем веществе при температуре 10⁹К начали протекать термоядерные реакциипервичного нуклеосинтеза самых легких (не считая водорода) элементов – дейтерия, трития и гелия.

Когда примерно через 1 млн. лет после рождения Вселенной ее температура снизилась до нескольких тысяч градусов, стали образовываться первые атомы (водорода, гелия и их изотопов), и вещество отделилось от излучения, т.е. перестало в него превращаться и из него возникать. В настоящее время температура такого излучения, которое отечественный ученый И.С.Шкловский (1916-1985) назвал реликтовым, равна приблизительно 2.7 К. Оно является изотропным (одинаковым по всем направлениям) и равномерно заполняет пространство Вселенной. Реликтовое излучение открыли в 1965 г. американские физики А.Пензиас и Р.Вилсон. Следует отметить, что теоретические расчеты температуры реликтового излучения согласуются с измеренным значением. В 1992 г. были обнаружены небольшие колебания его температуры в пределах от 2.7249 К до 2.7251 К в зависимости от направления. Температурные флуктуации реликтового излучения соответствуют слабым сгущениям материи в ранней Вселенной, благодаря которым стало возможным образование звезд и галактик.

После открытия реликтового излучения теория Г.Гамова получила всеобщее признание и была названа стандартной космологической моделью.

Долгое время Вселенная была темной и холодной, т.к. ничто ее не освещало. Эта стадия развития Вселенной, названная «Темными веками», закончилась, когда образовались первые звезды и галактики. Они возникли в результате концентрации водорода и гелия в местах с повышенной плотностью вещества. Силы гравитации сжали и нагрели такие сгустки, что привело к возникновению термоядерных реакций синтеза химических элементов в их недрах, обеспечивающих светимость звезд и галактик. Дальнейшее сжатие сгустков прекратилось, т.к. его уравновесило излучение. Так образуются новые звезды и в наше время.

По теории Г.Гамова вещество, из которого формировались первые звезды во Вселенной, должно было состоять на 75% из водорода и на 25% из гелия. Эту гипотезу подтверждает распространенность химических элементов во Вселенной: видимое вещество в ней образовано в основном водородом (около 3/4 по массе) и гелием (около 1/3 по массе), остальные химические элементы содержатся в указанном веществе в незначительных количествах. По оценкам ученых, переход от однородной водородно-гелиевой Вселенной к структурной Вселенной с галактиками и звездами длился от 1-го до 3-х млрд. лет. Первые галактики стали формироваться во Вселенной через несколько сотен миллионов лет после ее рождения.

Большинство галактик во Вселенной вращаются, и если сложить их моменты импульса, то получится небольшая, но отличная от 0 величина. Согласно закону сохранения момента импульса именно такое значение имел момент импульса в рождающейся Вселенной. Поэтому она родилась вращающейся.

Большинство звезд в видимой Вселенной (90%) находятся на стадии термоядерного синтеза гелия из водорода. Ядерные реакции в звездах называются звездным нуклеосинтезом.В результате таких процессов из ядер одних химических элементов образуются более тяжелые ядра других химических элементов: из 4-х ядер водорода при температуре 10⁷К образуется ядро гелия, из 3-х ядер гелия при температуре 10⁸К синтезируется ядро углерода, при температуре 10⁹К из ядер углерода и гелия возникает ядро кислорода, из ядер кислорода и гелия – ядро неона, из ядер неона и гелия – ядро магния, из ядер магния и гелия или двух ядер кислорода – ядро кремния и т.д. Ядра железа характеризуются максимальной энергией связи, приходящейся на один нуклон, поэтому образование элементов тяжелее железа объясняют процессами, существенно отличающимися от реакций термоядерного синтеза. Большая часть из них синтезируется в результате захвата ядрами нейтронов, а меньшая – протонов. Самым тяжелым химическим элементом, который может образоваться внутри звезд, является висмут с порядковым номером, равным 83. Все остальные химические элементы рождаются при звездных взрывах. Что касается ядер лития, бериллия и бора (порядковые номера в таблице Д.И.Менделеева – 3, 4 и 5, соответственно), то, как считают ученые, они скорее всего откололись от более тяжелых ядер в межзвездном пространстве под действиемкосмических лучей (потоков заряженных частиц высокой энергии).

Теорию ядерного горения в звездах построил немецкий физик Г.Бёте (1906-2005), переехавший в 30-х годах ХХ века в США. В 1967 г. за это ему была присуждена Нобелевская премия.

Вещество, израсходованное на образование звезд, частично возвращается в межзвездную среду на заключительных стадиях звездной эволюции. Обогащенное тяжелыми элементами, синтезированными в недрах звезд или образовавшимися при их взрывах, оно может снова включиться в процесс звездообразования. Различают звезды разных поколений в зависимости от того, сколько раз вошедший в их состав межзвездный газ участвовал в формировании звезд. Так, первые звезды во Вселенной возникали из первичного газа, содержащего только водород (75% массы) и гелий (25% массы). Звезды последующих поколений образовались из газа, содержащего весь набор тяжелых элементов. Считается, что Солнце – звезда второго или третьего поколения. Так что, все в Солнечной системе, включая и людей, состоит из пепла взорвавшихся звезд.

У других звезд также обнаружены планеты: их в настоящее время известно более 100. Планетные системы могли формироваться у звезд второго и последующих поколений из вещества, в котором присутствовали элементы тяжелее гелия.

Диапазон характерных масс звезд составляет 0.1М_c–100М_c (М_c – масса Солнца). Большинство звезд в видимой Вселенной имеет массу меньше, чем Солнце. В звездах с массой М≤0.1М_c невозможно термоядерное горение водорода, поэтому они могут светить только за счет постепенного охлаждения их вещества. Обнаружение таких звезд осложнено их низкой светимостью, поэтому возможно, что часть невидимого вещества во Вселенной (скрытая масса), которое можно обнаружить только по его гравитационному воздействию на соседние объекты, заключена именно в них. По оценкам ученых, вещество, непосредственно наблюдаемое в звездах и газовых туманностях, составляет не более 5% от полной массы Вселенной (при этом на звезды приходится только 1% всей массы Вселенной). Звезды с М≥100М_c неустойчивы.

Чем больше масса звезды, тем быстрее она истощает запасы своего ядерного топлива и тем быстрее она стареет. Поэтому массивные звезды с массой, приблизительно в 100 раз превосходящей массу Солнца, живут всего лишь около 10 млн. лет; звезды с массой, в несколько раз превышающей солнечную массу, – сотни миллионов лет; а звезды с массой М~М_c светят примерно 10 млрд. лет.

Звезда, излучающая за счет выделения ядерной энергии, медленно эволюционирует по мере изменения ее химического состава. Наибольшее время она проводит на стадии, когда в ее центральной части горит водород. Большая длительность этого этапа связана, в частности, с тем, что водород является самым калорийным ядерным топливом. При образовании одного ядра гелия (альфа-частицы) из 4-х ядер водорода выделяется примерно 26 МэВ энергии, а при образовании углерода ₆С¹² из 3-х альфа-частиц – только около 7.3 МэВ, т.е. выделение энергии на единицу массы при этом в 10 раз меньше.

После выгорания водорода в центре звезды и образования гелиевого ядра выделение ядерной энергии в нем прекращается и ядро начинает интенсивно сжиматься. Водород продолжает гореть в тонкой оболочке, окружающей гелиевое ядро. Оболочка при этом расширяется, светимость звезды растет, поверхностная температура уменьшается, и звезда становится красным гигантом (в случае менее массивных звезд) или сверхгигантом (красным или желтым) в случае более массивных звезд. Цвет звезды определяется температурой ее поверхности: чем больше температура поверхности Т, тем выше частота излучения :

kT ~ h,        

где h – постоянная Планка, равная 6,6310^-34Джс, k – постоянная Больцмана, равная 1,3810^-23Дж/К.

Поэтому красные звезды – самые холодные, а голубые – самые горячие.

Процесс последующей звездной эволюции определяется в основном массой звезды. Образование элементов тяжелее магния возможно только в массивных звездах. Солнце из-за недостаточной массы закончит свою эволюцию на стадии гелиевого горения. К концу своей жизни звезды, аналогичные Солнцу, сбрасывают свою оболочку (планетарную туманность) и превращаются в белых карликов, сжимаясь до размеров Земли или меньше. Белый карлик – горячая звезда, но из-за малых размеров ее практически не видно. Через миллиарды лет белый карлик должен охладиться и превратиться в черного карлика, не излучающего свет. Таким образом, черные карлики – это мертвые остатки звезд.

Температура в центре красных сверхгигантов может достигать 10¹⁰ К. При такой температуре ядра атомов разваливаются на протоны и нейтроны, протоны поглощают электроны, превращаясь в нейтроны и испуская нейтрино. Как правило, эволюция таких звезд заканчивается мощным взрывом – вспышкой сверхновой. В 1987 г. ученые наблюдали такой взрыв в галактике Большое Магелланово Облако, находящейся от нас на расстоянии, превышающем 150 тыс. световых лет. В результате вспышки сверхновой состояние звезды кардинально изменяется: она либо полностью разрушается, либо сбрасывает свою внешнюю оболочку, а ее интенсивно вращающееся (по закону сохранения момента импульса) нейтронное ядро превращается под действием сил гравитационного сжатия в нейтронную звезду, масса которой при размере около 10 км может превышать массу Солнца. Нейтронная звезда состоит из нейтронного газа, внутреннее давление которого противодействует гравитации и останавливает сжатие звезды. Огромные силы давления нейтронного вещества обусловлены тем, что являющиеся фермионами нейтроны по принципу Паули не могут находиться в одном энергетическом состоянии и поэтому при сильном сжатии отталкиваются друг от друга.

Двигаясь по нашей Галактике, Солнечная система может оказаться в непосредственной близости от вспыхнувших сверхновых звезд. За время существования биосферы на Земле (а первые живые организмы появились на нашей планете, по данным современной науки, более 3.5 млрд. лет назад) сверхновые десятки раз вспыхивали в ближайших окрестностях Солнца и, несомненно, воздействовали на среду обитания живых организмов.

Гипотезу о влиянии вспышек сверхновых звезд на эволюцию жизни на Земле выдвинули в 1957 г. отечественные ученые В.Красовский и И.Шкловский.

Вспышки сверхновых в нашей и в других галактиках наблюдаются человеком уже несколько тысячелетий. Для наблюдателя взрыв сверхновой – это внезапное появление на небе яркой звезды, которая может быть видна и днем. Исчезает такая звезда обычно через несколько месяцев. Взрыв последней из достоверно зафиксированных в Млечном Пути сверхновых наблюдал немецкий астроном И.Кеплер (1571-1630) в 1604 г. Считается, что в нашей Галактике сверхновые вспыхивают в среднем один раз в 30 лет. Однако не все такие вспышки можно обнаружить: свет, идущий от них, очень сильно поглощается в межзвездной среде.

В момент взрыва сверхновая звезда излучает огромное количество энергии (10⁴⁴ Дж), сопоставимое с энергией, которую Солнце способно выработать за 5 млрд. лет. При этом возникают жесткие (с высокой энергией) волновое и корпускулярное ионизирующие излучения. Считается, что глобальную экологическую катастрофу на Земле, включая и массовые вымирания биологических видов, может вызвать взрыв сверхновой, вспыхнувшей от Солнца на расстоянии 5-10 пк (1пк (парсек) - равен 3.3 светового года) и ближе. В сфере с таким радиусом находится более 300 звезд. В течение последних 3-4 млрд. лет эволюции Земли сверхновые несколько раз взрывались на расстоянии около 10 пк от Солнечной системы. А в среднем, по оценкам ученых, такие события на указанных расстояниях происходят 1 раз в 200-300 млн. лет.

В момент развития вспышки близкой сверхновой приходящие от нее гамма и рентгеновское излучения могут полностью разрушить озоновый экран, предохраняющий живые организмы на Земле от губительного для них ультрафиолетового излучения Солнца. Причем, восстановится озоносфера только через месяц или через более длительный промежуток времени. Кроме этого, в результате указанных взрывов увеличится интенсивность космических лучей вблизи Земли и понизится ее температура, а также возрастет частота мутаций в живой природе.

Считается, что вспышка близкой сверхновой привела к образованию Солнечной системы. Возможно, взрывы недалеких сверхновых способствовали зарождению жизни на Земле и возникновению современных людей, а, следовательно, и цивилизации.ц

Если масса ядра умирающей сжимающейся звезды превышает массу Солнца в 3 и более раз, никакая сила не сможет остановить процесс сжатия. Это поняли ученые к середине 60-х годов ХХ в. Рассчитав структуру звезд и ход их эволюции, они пришли к выводу, что существование устойчивых мертвых звезд с массой М>3М_сневозможно. По мере сжатия напряженность гравитационного поля будет нарастать, все более увеличивая согласно ОТО искривленность пространства и все более замедляя время вблизи звезды. Когда звезда сожмется догравитационного радиуса R_g

R_g= 2GM/c²,

где G – гравитационная постоянная (G = 6.67∙10^-11 Н∙м²/кг² ), с – скорость света в вакууме, она исчезнет из видимой Вселенной, оставив только гравитационное поле и превратившись в черную дыру. Сверхсильное гравитационное притяжение черной дыры не могут преодолеть ни одно известное вещество и ни одно излучение. Поэтому она – невидимая (черная). Предполагается, что в черных дырах Вселенная скрывает большую часть своей материи. Черные дыры могут быть окнами в другие Вселенные, пространства и времена, из них могут рождаться Вселенные аналогично возникновению нашей Вселенной из сверхплотного и горячего состояния материи. Известный английский ученый С.Хокинг (р.1924) выдвинул гипотезу о том, что со временем черные дыры испаряются, излучая в окружающее пространство энергию.

Итак, согласно современной теории эволюции звезд, умирая, каждая звезда становится или белым карликом, или нейтронной звездой, или черной дырой. Белые карлики известны уже много десятилетий и долгое время считались последней стадией эволюции любой звезды. Затем были открыты пульсары, доказавшие реальное существование нейтронных звезд. В настоящее время ученые ищут экспериментальные подтверждения наличия во Вселенной черных дыр.

Все галактики, наблюдаемые во Вселенной, Э.Хаббл разделил на эллиптические, спиральные и неправильные.

Эллиптические галактики(к этому типу относятся 13% галактик в видимой Вселенной) имеют красноватый цвет, который определяется излучением их старых звезд, распределенных в объеме, форма которого напоминает эллипсоид. Большинство таких галактик находятся в огромных галактических скоплениях.

Спиральными являются 34% галактик в наблюдаемой Вселенной. В их ядрах находятся старые звезды, а в спиральных рукавах – молодые, в основном, голубые звезды. Спиральными галактиками являются, например, Млечный Путь и Туманность Андромеды.

Оставшиеся 53% галактик в видимой Вселенной называются неправильными, т.к. в их строении не выявлено характерных особенностей.Около половины вещества в таких галактиках составляет межзвездный газ, а среди их звезд присутствуют как молодые, так и старые. Неправильными являются ближайшие к нам галактики –Большое иМалое Магеллановы Облака, которые находятся на расстоянии около 170 тыс. световых лет от Млечного Пути. Обе эти галактики меньше нашей. Их можно увидеть невооруженным глазом только в Южном полушарии.

Во Вселенной существуют мощные источники электромагнитного излучения, размеры которых больше звезд, но меньше галактик. Они были открыты в 1963 г. и названы квазарами– квазизвездными радиоисточниками. Светимость квазара может быть эквивалентной излучению десятков галактик. В настоящее время открыты тысячи квазаров, большинство которых расположено на границах видимой Вселенной. Предполагается, что квазары – это гигантские черные дыры с массой около 100 млн. солнечных масс, расположенные в плотных галактических ядрах и преобразующие гравитационную энергию падающего вещества в излучение.

Судьба Млечного Пути. Диаметр нашей Галактики составляет приблизительно 100 тыс. световых лет, а полная масса находится в пределах от 750 млрд. до одного триллиона солнечных масс. Ее скорость в космическом пространстве огромна – 1.5 млн. км/ч. По оценкам ученых, Млечный Путь состоит из 200-400 млрд. звезд, которые вращаются вокруг общего центра масс, называемого Галактическим Центром. Млечный Путь имеет форму плоского диска с шарообразным утолщением в центре. Возраст нашей Галактики, по оценкам ученых, составляет около 10-12 млрд. лет.

Солнечная система находится на окраине Млечного Пути на расстоянии 28 тыс. световых лет от его центра и вращается вокруг него по орбите, близкой к круговой, со скоростью около 240 км/с. Место Солнечной системы, а значит, и место человека во Вселенной стало известно только с середины 20-х гг. ХХ в.

Центральная область Млечного Пути как и многих других галактик является более плотной, чем внешняя часть, и содержит массивный объект, названный Стрельцом А, внутри которого, вероятно, находится черная дыра, постепенно поглощающая галактическое вещество. Существование черной дыры в центре нашей Галактики не представляет опасности для Земли из-за ее огромной удаленности от нас. Но так как черная дыра питается звездной и другой материей, она может поглотить всю галактику. Однако, прежде чем она доберется до Солнечной системы, ей придется поглотить не менее 100 млрд. звезд Млечного Пути.

Один из кандидатов в черные дыры путешествует по нашей Галактике. Его открыли в 2000 г. благодаря исследованиям в рентгеновском диапазоне. Недавние наблюдения позволили вычислить орбиту этого объекта. Расстояние между ним и Солнцем составляет сейчас 6000 световых лет.

В ясную ночь на небе Млечный Путь наблюдается в виде светящейся туманной полосы, расположенной поперек неба. Итальянский ученый Г.Галилей (1564–1642) первым обнаружил, что Млечный Путь состоит из огромного числа звезд. Английский астроном У.Гершель (1738–1822) составил каталог многих его звезд с указанием расстояний до них. Он считал, что Млечный Путь имеет границы и что за ним находятся другие звездные скопления. Однако до начала ХХ в. в науке доминировало представление о том, что Млечный Путь – часть единственной во Вселенной галактики, в которую входят миллиарды звезд. В 1924 г. Э.Хаббл экспериментально доказал, что Млечный Путь является одной из многих галактик в нашей Вселенной, подтвердив гениальную догадку У. Гершеля.

Со временем Млечный Путь лишится спиральных рукавов, превратится в систему из старых, остывающих звезд.

Через несколько миллиардов лет наша Галактика и Туманность Андромеды, которая примерно в 2 раза больше Млечного Пути, должны образовать единую галактику. Силы гравитации изменят их форму и процессы, происходящие в них.

Будущее Вселенной. В модели развития Вселенной, построенной А.А. Фридманом на основе уравнений ОТО, показано, что будущее нашей Вселенной зависит от значения средней плотности вещества в ней ρ_ср. Если ρ_ср≤ρ_кр(ρ_кр=3/(8πGτ²) – критическая плотность,G– гравитационная постоянная, τ – возраст Вселенной), то она будет вечно расширяться, звезды в галактиках постепенно угасать, а атомы медленно распадаться. Если же ρ_ср>ρ_кр, то в будущем расширение сменится сжатием, которое приведет к новому Большому Взрыву, рождению вещества, галактикам, звездам, планетам и, возможно, к новой жизни… Один мировой цикл сменится другим.

Если развитие Вселенной циклично, то, по оценкам ученых, ее расширение будет продолжаться еще не менее 20 млрд. лет, что значительно превышает срок жизни Солнца.

Нам не известно значение ρ_ср, т.к. огромное количество вещества во Вселенной является несветящимся, темным. Это так называемаяскрытая масса, которая обнаруживает себя по гравитационному воздействию на движение галактик. Скрытая масса была открыта во второй половине ХХ в., но ее состав до сих пор неизвестен. В этой массе Вселенная может скрывать невидимые черные дыры, черные карлики, неизвестные элементарные частицы.

Поэтому дальнейшая судьба нашей Вселенной неизвестна. Нам не известно также, в каком цикле развития Вселенной живем мы, были ли у нее предыдущие циклы, была ли в них жизнь, не могла ли она передать свой генетический код, свою программу в наш цикл, закономерно или случайно появление вещества, звезд, галактик, планет, жизни и разума.

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

Общие сведения о Солнце. Солнце– это ближайшая к нам звезда, центр Солнечной системы, в котором сосредоточена почти вся ее масса (99.85%). Оно представляет собой гигантский светящийся раскаленный плазменный шар, равновесие которого обеспечивается балансом между гравитационной силой и давлением горячего вещества (газа) и излучения. Масса Солнца равна 1.99•10³⁰кг, а радиус – 6.96•10⁸ м. Примерно 68% его массы составляет водород, 30% – гелий, 2% – другие химические элементы. Экваториальная зона Солнца вращается относительно Земли с периодом 25 земных суток, а полярные области – с периодом 29 земных суток. Средний период обращения Солнца вокруг своей оси относительно Земли равен 27,275 земных суток, а скорость движения вокруг центра Млечного Пути – около 240 км/с. Солнце - средняя звезда во Вселенной, его возраст, как и возраст всей Солнечной системы, составляет около 5 млрд. лет. По оценкам ученых, каждая двухсотая звезда в нашей Галактике подобна Солнцу.

В гелиоцентрической системе мира, построенной польским астрономом Н. Коперником (1473-1543), Солнце занимает центральное положение, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него, двигаясь также вокруг своих осей. По современным представлениям, Солнце - не центр Вселенной, а рядовая звезда в ней. Такое предположение высказывал еще в ХVI в. Дж. Бруно (1548–1600). Он также считал, что Вселенная бесконечна и что у нее не может быть центра.

Солнце образовалось около 5 млрд. лет назад из облака водорода, гелия и космической пыли – остатков погибших звезд предыдущих поколений. Сжатие этого вещества под действием сил всемирного тяготения привело к его нагреванию, начались ядерные реакции превращения водорода в гелий, появилось устойчивое свечение. Считается, что Солнце будет светить еще приблизительно 5–7 млрд. лет, пока не закончатся запасы его водородного топлива.

Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца за счет гравитационного притяжения к нему. Солнце является основным источником энергии для большинства природных процессов, происходящих на Земле. Жизнь на Земле была бы невозможна без солнечного тепла и света. Солнечная энергия приводит в действие механизмы самоорганизации в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли.

Солнце находится на расстоянии 149.6 млн. км от Земли. Когда Луна оказывается между Солнцем и Землей, она закрывает его: наступает солнечное затмение. В 1919 г. во время одного из таких затмений ученые впервые обнаружили искривление световых лучей вблизи Солнца, подтверждающее выводы ОТО А. Эйнштейна (1879-1955) об искривлении пространства гравитационными полями, созданными массами. Смещение спектральных линий, излученных на Солнце, в сторону больших длин волн по сравнению с аналогичными линиями земного происхождения (красное смещение) подтвердило второе важное следствие ОТО – о гравитационном замедлении времени во Вселенной. Уменьшение частот спектральных линий при красном смещении свидетельствует об увеличении периодов колебаний их источников, т.е. о более медленном течении времени. Степень искривленности пространства и замедления времени вблизи масс определяетсябезразмерным гравитационным потенциалом Ф:

Ф = 2GM/ (Rc²),

где G – гравитационная постоянная (G = 6.67•10^-11Н•м²/кг²), М – масса объекта, R – его размер, с – скорость света в вакууме (с = 3•10⁸м/с). Чем больше значение Ф, тем более искривленным является пространство и тем медленнее течет время вблизи данной массы.

Источники солнечной энергии. К вопросу об источниках горения Солнца и других звезд ученые обратились в ХIХ в. Один из открывателей закона сохранения энергии Р.Майер (1814-1878) вычислил, что если бы Солнце горело за счет угля, оно светило бы всего приблизительно 5000 лет. Тогда он предположил, что наша звезда светит за счет постоянной бомбардировки ее поверхности метеоритами и метеорными частицами. Но позже эта гипотеза была отвергнута, т.к. для того чтобы Солнце устойчиво светило в течение 5 млрд. лет, необходимо, чтобы на него за это время упало достаточно большое количество метеорного вещества (с массой, в 150 раз превышающей массу Солнца). Г.Гельмгольц (1821-1894) и У.Томсон (1824-1907) (барон Кельвин) высказали гипотезу о том, что Солнце излучает за счет постепенного сжатия. Но тогда возраст Солнца должен составлять около 20 млн. лет. И только в 20-х гг. ХХ в. астрофизик А.Эддингтон (1882-1944) предположил, что излучение Солнца происходит за счет энергии, выделяющейся при слиянии 4-х ядер водорода в ядро гелия. Теория ядерного горения в звездах уточнялась до середины ХХ века в работах различных ученых. После взрыва первой в мире водородной бомбы, который был осуществлен в 1952 г. в США, в возможности осуществления в недрах звезд термоядерных реакций, предсказанных А. Эддингтоном, уже никто из ученых не сомневался. Начавшиеся в начале 50-х годов ХХ века разработки управляемых термоядерных реакторов, способных обеспечить человечество огромным количеством энергии без загрязнения окружающей среды, не принесли пока успешных результатов.

Источники тепла и света Солнца - реакции термоядерного синтеза гелия и других химических элементов из водорода, протекающие в его недрах с выделением огромного количества энергии. Силы гравитации стремятся сжать Солнце, и в его центре температура вещества достигает приблизительно 1.6·10⁷К. При таких температурах ядра водорода часто сближаются на малые расстояния (их кинетическая энергия при этом достаточно велика, и поэтому они могут преодолеть электромагнитное отталкивание). Следовательно, возможными становятся ядерные реакции, в результате которых из водорода синтезируется гелий. Общий результат водородного цикла в недрах Солнца можно записать в виде:

  4 ₁Н¹ ₂Не⁴+ 2₁е⁰+ 2_е+ 2+ 26.73 МэВ,

где ₁е⁰- позитрон (античастица электрона),_е- нейтрино,- гамма-квант.

 Ученым удалось зарегистрировать нейтрино, рожденные в недрах Солнца при термоядерных реакциях, что подтвердило представление о строении, составе и процессах, происходящих в звездах.

Излучение, покидающее Солнце, возникает в его тонком поверхностном слое – фотосфере, имеющем толщину около 350 км. Температура фотосферы равна 5780 К. Полная мощность солнечного излучения, которую также называютсветимостьюСолнца, составляет в настоящее время 3.86•10²⁶Вт. Над фотосферой располагаютсяхромосфера толщиной несколько тысяч километров икорона, простирающаяся на миллионы километров.Из короны вырываются потоки заряженных частиц –солнечный ветер. В дни бурь на Солнце он усиливается (космонавтам в это время не рекомендуется выходить в открытый космос). Солнечный ветер вызывает полярные сияния и магнитные бури на Земле. Он состоит в основном из ионизированных атомов водорода и гелия. Магнитное поле Земли предохраняет нас от замагниченного солнечного ветра.

В настоящее время Солнце является желтым карликом.

Излучение Солнца представляет собой сумму излучений разной температуры: рентгеновского, ультрафиолетового, оптического, инфракрасного и радиоизлучения. Основную долю потока солнечной энергии составляет оптическое излучение, которое совпадает с излучением тела, нагретого до 5780 К.

Солнечная активность.На поверхности Солнца в фотосфере периодически возникают холодные темные области -солнечные пятна, вызванные изменением магнитного поля. Это - проявлениесолнечной активности, которая представляет собой совокупность всех нестационарных процессов на Солнце. Пятна обычно появляются группами, существуют в среднем 10-20 суток, имеют температуру около 3500-4000 К, достигают размеров 100-200 тыс.км (небольшие пятна имеют поперечный диаметр несколько тысяч километров), обладают большим локальным магнитным полем, превышающим среднее в несколько тысяч раз. Такое интенсивное поле тормозит движение газовых потоков из глубин Солнца, и на его поверхность поступает меньше энергии. Поэтому на ней и возникают холодные и темные участки.

В хромосфере и короне над фотосферным пятном возникают дополнительные потоки рентгеновского, а иногда и гамма-излучения, и выбрасываются потоки горячей плазмы. Так образуются вспышки ипротуберанцы. Через 8 минут на Земле вследствие этого возникает внезапное ионосферное возмущение (резкое увеличение проводимости в нижней ионосфере) с изменением условий радиосвязи в отдельных частотных диапазонах. Ионосфера – это ионизованная проводящая оболочка земной атмосферы, расположенная на высотах 50-250 км от земной поверхности. Ионизация газов в ней осуществляется под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца. Присолнечных вспышках происходит взрывоподобное выделение энергии, накопленной в солнечных магнитных полях, которая преобразуется в энергию коротковолнового излучения Солнца, в кинетическую энергию потоков солнечной плазмы, космических лучей (ядер атомов (преимущественно водородных), обладающих скоростями, близкими к скорости света в вакууме) и в энергию радиоизлучения.

С помощью телескопа пятна на Солнце наблюдал Г.Галилей (1564–1642) в 1610 г. По перемещению пятен он установил, что Солнце вращается, и оценил период его вращения. До Г.Галилея астрономы наблюдали наиболее крупные группы пятен невооруженным глазом.

В 1843 г. астроном Г.Швабе (1789-1875) установил, что количество пятен на поверхности Солнца изменяется со временем: в годы минимума их может не быть совсем, а в годы максимума их число может быть равным многим десяткам. Швейцарский астроном Р.Вольф (1816-1896) определил, что среднее за год число пятен изменяется с характерным периодом около 11.2 лет (от 7 до 17 лет) и для характеристики солнечной активности ввел так называемое число ВольфаW. Оно определяется как сумма общего количества пятен на Солнце f и удесятерённого числа групп пятен g, причем изолированное одиночное пятно тоже считается группой: W=f+10g. Числа Вольфа определены с 1750 г. (рис.1) Рост активности Солнца, связанной с изменением числа солнечных пятен, составляет в среднем 4.2 года, а спад - 7 лет. Колебания солнечной активности в 11-летнем цикле изменяют интенсивность излучения Солнца не более чем на 0.2% (вблизи Земли за пределами атмосферы она равна в настоящее время 0.1368 Вт/см²).

Среднегодовые числа Вольфа

Годы

 Рис. 1. Изменение активности Солнца с 1700 г.

Под воздействием меняющейся солнечной активности в 11-летнем цикле колеблется толщина озонового слоя, предохраняющего живые организмы на Земле от губительного для них ультрафиолетового излучения Солнца. Изменения указанной толщины могут достигать нескольких процентов (основная масса озона (О₃) в земной атмосфере сосредоточена на высоте 20 км над поверхностью Земли). Ее уменьшение увеличивает риск заболеваемости раком кожи, число мутаций (необратимых изменений наследственного вещества организмов), влияет на интенсивность фотосинтеза, а, следовательно, и на концентрацию в зеленых растениях активных биологических веществ.

Впервые разрушение озонового слоя под воздействием солнечных космических лучей было экспериментально обнаружено после мощной солнечной вспышки, произошедшей 4 августа 1972 г. Частицы космических лучей расщепляют и ионизируют молекулы атмосферного азота (N₂), который затем очень быстро окисляется кислородом до оксидаNО, являющегося катализатором разрушения озона:

NO + O₃  NO₂ + O_2,

NO₂ + O  NO + O₂.

Следует отметить, что после указанной солнечной вспышки концентрация озона в земной атмосфере восстанавливалась больше месяца.

Влияние cолнечной активности на биосферу.  Максимум23-го 11-летнего цикла солнечной активности наблюдался в конце 2000 г. (нулевой номер присвоен циклу, максимум активности которого был в 1750 г.) На годы, соответствующие максимуму активности Солнца, часто приходятся яркие природные и исторические события: изменение климата, катастрофы, эпидемии, рост политической, экономической и иной активности, войны, революции и т.д.

Зависимость между циклами солнечной активности и многими явлениями в биосфере была установлена в начале ХХ в. русским ученым А.Л.Чижевским (1897-1964) на основе многолетних статистических исследований. А.Л.Чижевский является основоположником гелиобиологии– направления в науке, изучающего воздействие Солнца на живые организмы.

Рассмотрим один из примеров солнечно-биосферных связей, подробно изученный А.Л.Чижевским. В 20-х гг. ХХ в. он открыл ритмы в эпидемиях и обнаружил соответствие между заболеваемостью и смертностью для ряда инфекционных болезней и числами Вольфа. На рис.2 представлено сопоставление смертности от дифтерии в городах Дании в 1860-1911 гг. с солнечной активностью, характеризуемой указанными числами. В 1894 г. были введены профилактические мероприятия, что нарушило соответствие между активностью Солнца и смертностью от дифтерии.

Рис.2. Сопоставление смертности от дифтерии nв городах Дании в 1860-1911 гг. (1) и чисел ВольфаW(2). Вертикальная черта соответствует введению профилактических мероприятий в 1894 г. (А.Л. Чижевский).

Сопоставление данных о заболеваниях у растений, животных и людей с солнечной активностью позволяет сделать вывод о том, что при ее изменениях, видимо, меняются болезнетворные свойства бактерий и вирусов.

Вспышки массового размножения насекомых повторяются каждые 11-12 лет, что совпадает с 11-летним циклом активности Солнца.

11-летние циклы наблюдаются в частоте следования инфарктов миокарда. Из медицинской статистики также следует, что число инфарктов резко увеличивается в дни сильных магнитных бурь. Поэтому в некоторых больницах пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями в дни магнитных бурь помещают в специальные экранированные палаты, защищающие их от возмущений земного магнитного поля. Связь с солнечной активностью также установлена для пневмонии, хронических бронхитов, бронхиальной астмы, глаукомы, экзем, поздних токсикозов беременности и для других заболеваний.

Солнечные ритмы обнаружены и для процессов в обществе. Еще А.Л. Чижевский показал, что с увеличением чисел Вольфа на территории России растет количество преступлений, совершенных из-за утраты контроля над своими поступками под влиянием сильных эмоций. Он также сделал вывод о том, что революции, как правило, происходят в годы, близкие к годам максимумов 11-летних солнечных циклов. По данным полиции Чикаго, число потенциальных участников преступных группировок в годы повышенной активности Солнца возрастает примерно на 25% за счет усиления агрессивности в среде подростков и безработных.

В годы солнечных максимумов люди становятся более возбудимыми и нервными, что и приводит к усилению вероятности возникновения конфликтов между ними. Особенно опасным является воздействие Солнца на тех, кто работает на пределе нервной нагрузки – например, на летчиков, авиадиспетчеров, водителей и т.д. Именно поэтому годы повышенной солнечной активности отличаются от других лет возрастанием количества авиа-, авто- и других аналогичных катастроф. Кроме этого, в годы активного Солнца увеличивается число техногенных катастроф, т.к. в моменты колебаний земного магнитного поля нарушается радиосвязь и наводятся индукционные электрические токи, например, в линиях электропередач или трубопроводах. В 1989 г., когда наблюдался солнечный максимум, в Канаде целая провинция осталась без света из-за массового сгорания трансформаторов. Всплески солнечной активности также приводят к увеличению брака в высокотехнологичных отраслях экономики.

Английский экономист У.Джевонс (1835-1882) пришел к выводу о связи между промышленными кризисами и периодическими изменениями солнечной активности.

Российский экономист Н.Д.Кондратьев (1892-1938) на основе анализа статистических данных о динамике цен, заработной платы, объема внешней торговли, а также производства основных видов промышленной продукции и нововведений в промышленности и сельском хозяйстве в ведущих странах мира установил в 20-х годах ХХ века, что мировая экономика развивается циклами, средняя продолжительность которых от 48 до 55 лет. Они прослеживаются в мировой экономической системе с начала ХVIIIвека. В настоящее время наблюдается спад. Установлено, что поворотные пункты в мировой экономике соответствуют максимумам солнечной активности (рис.3 ).

Рис.3. Сопоставление циклов мировой экономики, открытых Н.Д.Кондратьевым, с солнечной активностью (С.Эртель, Германия).

Экспериментальные исследования показывают, что воздействие солнечной активности на биосферу осуществляется в соответствии со следующей схемой: процессы на Солнце → возмущения электромагнитных полей в среде обитания живых организмов → реакция организмов на возмущенные электромагнитные поля.

Солнечная активность влияет на процессы, происходящие на Земле через изменение коротковолнового излучения Солнца (прежде всего ультрафиолетового и рентгеновского, а иногда – и гамма-излучения) и через изменение солнечного ветра.

Историческая геология свидетельствует, что в прежние геологические эпохи на нашей планете временами наступали похолодания. Самое раннее из установленных на Земле оледенений было около 2500 млн. лет назад. После нескольких фаз оледенений, которые происходили примерно 2500-2200 млн. лет назад, наступил длительный перерыв продолжительностью около 1500 млн. лет, когда оледенений не было или же они были такими слабыми, что не оставили следов. Примерно 900 млн. лет назад оледенения возобновились и стали происходить с интервалом 50-100 млн. лет.

Вероятнее всего оледенения связаны с уменьшением светимости Солнца. По-видимому, в современную эпоху приблизительно один раз в 80-100 млн. лет светимость Солнца падает и в течение нескольких миллионов лет оказывается ниже средних значений. Ученые предполагают, что характер солнечной светимости изменяется циклически: в течение 1.5 млрд. лет Солнце ведет себя как стационарная звезда, а затем приблизительно столько же времени пульсирует с периодом 80-100 млн. лет. Такие колебания солнечной светимости оказывают сильное влияние на эволюцию биосферы, заставляя живые организмы на Земле приспосабливаться к меняющемуся климату и другим факторам.

РАЗВИТИЕ ОСНОВНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ КОНЦЕПЦИЙ

Особенности биологического уровня организации материи. Главные свойства всехживых организмовна Земле, отличающие их от объектов неживой природы, -размножениеиобмен веществ с окружающей средой. Все живые организмы на Земле содержатбелкиинуклеиновые кислоты.

Наименьшей структурной и функциональной единицей, а также единицей размножения и развития живых организмов, обитающих на Земле, является клетка.

Развитие представлений о живой природе. Первые систематические попытки познания живой природы были сделаны античными врачами Гиппократом (V–IVвека до н.э.) и Галеном (IIвек до н.э.) и древнегреческими философами Аристотелем (IVвек до н.э.) и Теофрастом (372–287 до н.э.). Их труды, продолженные в эпоху Возрождения, положили начало ботанике и зоологии, а также анатомии и физиологии человека. Естествоиспытатель А.Везалий (1514–1564) одним из первых стал изучать тело человека путем вскрытий и на основе результатов таких исследований дал научное описание строения всех органов и систем.

В XVII–XVIIIвеках в биологии стали использоваться экспериментальные методы. На основе количественных измерений и применения законов гидравлики английский врач У.Гарвей (1578–1657) в 1628 г. открыл механизм кровообращения. Изобретение микроскопа раздвинуло границы известного мира живых существ и расширило представления об их строении. Микроскоп в биологических исследованиях стали одними из первых использовать нидерландский натуралист А. ван Левенгук (1632–1723) и английский ученый Р.Гук (1635-1703). Одним из главных достижений того времени является создание в 1735 г. шведским ученым К.Линнеем (1707–1778) системы классификации растений и животных.

Р.Гук установил, проводя исследования растительных и животных тканей, что они состоят из мелких образований, названных им клетками.Немецкие ученые Т.Шванн (1810–1882) и Р.Вирхов (1821–1902) разработаликлеточную теорию,согласно которой все живые организмы имеют клеточное строение. Основные положениясовременной клеточной теории:

– клетка является структурной и функциональной единицей, а также единицей развития и размножения всех живых организмов на Земле;

– клетки имеют мембранное строение;

– клетка размножается только делением;

– клеточное строение организмов свидетельствует о том, что они имеют единое происхождение.

Начало эволюционной биологии, изучающей развитие живой природы на Земле, положило эволюционное учение французского естествоиспытателя Ж.Б.Ламарка (1744–1829), который провозгласил принцип эволюции всеобщим законом живой природы. Ламарк считал, что виды животных и растений постоянно меняются, усложняясь в своей организации в результате влияния внешней среды, упражнения или неупражнения органов и внутреннего стремления всех организмов к усовершенствованию. Он полагал, что каждый вид представляет собой независимую эволюционную линию, возникшую от исходных форм жизни. В 1802 г. он и немецкий ученый Г.Р.Тревиранус (1776–1837) ввели термин «биология».

Подлинный переворот в биологии произвела эволюционная теорияанглийского ученого Ч.Дарвина (1809–1882), основные идеи которой он изложил в 1859 г. в книге «Происхождение видов». Ч.Дарвин открыл движущие силы эволюции живых организмов на Земле:изменчивость, наследственность, естественный отбор. Он утверждал, чтоизменчивость является основой образования новых признаков у живых организмов,наследственность закрепляет эти признаки путем передачи их следующим поколениям, аестественный отборустраняет организмы, не приспособленные к условиям существования. Таким образом накапливаются функции приспособления, что приводит к формированию новых видов.

В 1865 г. австрийский естествоиспытатель Г.Мендель (1822–1884) открыл законы наследственности. В своих знаменитых опытах по скрещиванию различных сортов гороха он установил, что наследственные задатки родителей в организмах потомства не смешиваются, а передаются от родителей к потомкам в виде обособленных дискретных единиц. Такие единицы представлены у особей видов с половым размножением парами (одна единица от матери, другая – от отца) и передаются последующим поколениям в мужских и женских половых клетках, в которых находится по одной единице из пары. В 1909 г. датский биолог Ф.Я.Иогансен (1867–1913) (один из основоположников современной генетики) назвал эти единицыгенами,а совокупность всех генов организма –генотипом.В 1911 г. американский генетик Т.Морган (1866–1945) установил, что гены находятся в ядерных клеточных структурах –хромосомах.Термин «хромосомы» предложен в 1888 г. немецким ученым В.Вальдейером (1836–1921). Русский биолог Н.К.Кольцов (1872–1940) в 1928 г. высказал идею о связи генов с конкретным химическим веществом. В результате экспериментов, проведенных на микроорганизмах, в 1944 г. было установлено, чтовеществом наследственности, с которым передается из поколения в поколение информация о всех свойствах организма, является не белок (как полагали ранее), а дезоксирибонуклеиновая кислота –ДНК.

В ХХ веке в изучении биологических явлений сформировались два взаимосвязанных подхода. С одной стороны, возникло представление о качественно различных уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционно-видовом.С другой стороны, стремление к целостному познанию живой природы способствовало развитию биологических наук, изучающих определенные свойства живых организмов на всех структурных уровнях. К таким наукам относятсябиологическая систематика, эволюционная биология и молекулярная биология.

Огромных успехов, начиная с 50–х годов ХХ века, достигла молекулярная биология (изучение живых объектов на молекулярном уровне), открывшая химические основы наследственности, оказавшиеся универсальными для всех живых организмов: строение ДНК и РНК, генетический код, матричный принцип синтеза биополимеров.

Учение В.И.Вернадского (1863–1945) о биосфере (биосфера– оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь; термин «биосфера» введен в 1875 г. австрийским геологом Э.Зюссом (1831–1914)) как особой оболочке Земли раскрыло масштабы геохимической деятельности живых организмов и их неразрывную связь с неживой природой.

Развитие представлений о клетках и процессах, происходящих в них. Клетки, имеющие оформленное ядро (центральную часть), называютсяэукариотными, а организмы, построенные из таких клеток, –эукариотами.К эукариотам относятся растения, животные, грибы и лишайники. Клетки, не имеющие оформленного ядра, называютсяпрокариотными, а организмы с такими клетками –прокариотами. К ним относятся все бактерии.

Цитоплазма(внутренняя жидкая клеточная среда) объединяет все находящиеся в ней клеточные структуры в единый взаимодействующий комплекс и является местом отложения запасных питательных веществ и продуктов, подлежащих выведению, а также средой для протекания различных биохимических процессов, свойственных данной клетке.

В основе структурной организации клетки лежит мембранный принципстроения.Мембраны состоят из белков и жиров. Они ограничивают многие структуры клетки. Через цитоплазматическую мембрану происходят перенос веществ в клетку и выведение из клетки различных веществ.

Вещество наследственности (ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота) состоит изгенов – участков ДНК, несущих информацию о признаках организма. Гены находятся вхромосомахХромосомы состоят из одной или нескольких молекул ДНК, соединенных с белками. Совокупность всех хромосомных генов называетсягеномом.Хромосомы способны к самоудвоению при делении клеток. Большая часть генов в эукариотных клетках находится в хромосомах клеточного ядра, а меньшая часть – в митохондриях или хлоропластах. В прокариотных клетках хромосомы, содержащие гены, находятся, как и другие клеточные структуры, непосредственно в цитоплазме, окруженной клеточной мембраной.

Каждый вид живых организмов характеризуется определенным хромосомным набором. В ядрах соматических клеток число хромосом четное (двойной, илидиплоидный,набор хромосом): половина хромосом от материнского организма, другая половина – от отцовского. Так, например, соматические клетки человека содержат 46 хромосом (это было установлено в 1956 г.), а соматические клетки человекообразных обезьян – 48 хромосом. Для половых клеток (гамет) характеренгаплоидный (одинарный)набор хромосом. При оплодотворении двойной набор хромосом восстанавливается.

При делении клеток возможны нарушения, приводящие к мутациям– случайно возникшим стойким дискретным изменениям генотипа, затрагивающим целые хромосомы, их части или отдельные гены. Мутации являются редкими событиями (у человека на каждый миллион делящихся клеток приходится одна мутантная) и могут быть полезными, вредными и нейтральными для организмов. Эти положения составляют основумутационной теории,которую разработал нидерландский генетик Х. Де Фриз (1848–1935). Большинство мутаций у особей, для которых характерно половое размножение, происходит в соматических клетках и не наследуется. Потомству могут быть переданы только мутации, которые произошли в половых клетках. У людей мутантной является в среднем одна из десяти гамет. Вероятность мутаций увеличивают различные факторы внешней среды, которые называютмутагенами. К ним относятся: радиация, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, химические вещества, повышенная температура, вирусы.

Геномныемутации приводят к изменению числа хромосом в клетках (например, нерасхождение парных хромосом при образовании половых клеток из соматических приводит к формированию гамет с увеличенным или уменьшенным числом хромосом).

Хромосомныемутации – это различные изменения структуры хромосомы (участок хромосомы может удвоиться или, наоборот, выпасть; он может переместиться на другое место и т.д.).

Изменение числа хромосом в клетках или изменение строения отдельных хромосом являются причиной хромосомных болезней (заболевание синдром Дауна вызвано наличием третьей хромосомы в 21-й паре хромосом у человека).

Генныемутации связаны с изменением структуры отдельных генов в молекуле ДНК. Этот тип мутаций связан с ошибками, возникающими в процессе удвоения молекул ДНК.

В состав клеток живых организмов входят 80 химических элементов таблицы Д.И.Менделеева. Элементов, свойственных только живой материи, в природе не существует. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В среднем 70%÷85% массы клетки составляет вода, 10%÷20% –белки, 1%÷5% –жиры, 0.2%÷2% –углеводы, 1%÷2% –нуклеиновые кислоты, 0.1%÷0.5% –низкомолекулярные органические соединения, 1%÷1.5% –неорганические вещества. Исключение составляют клетки жировой и костной тканей, в которых воды только около 25%.

Тело взрослого человека состоит приблизительно из 10¹⁴клеток, число различных типов клеток у человека ~ 100.

В качестве растворителя вода обеспечивает как приток в клетку веществ, так и удаление из нее продуктов жизнедеятельности. Хорошая теплопроводность и большая теплоемкость воды обеспечивают живым организмам сохранение жизненных функций при резких изменениях температуры окружающей среды.

Белки определяют свойства клеток и индивидуальные различия (признаки) живых организмов. Они имеют полимерную структуру, а их мономерами являютсяаминокислоты – органические соединения, состоящие из карбоксильной группы –СООН, аминогруппы –NH₂ и радикала, имеющего углеводородную основу. Аминокислоты отличаются друг от друга составом радикала. Если белки содержат только одни аминокислоты, то они называютсяпростыми.Сложныебелки, кроме аминокислот, имеют в своем составе другие органические вещества, металлы или соединения фосфора. Из известных в природе аминокислот в состав большинства белков живых организмов входят только 20 из них. Животные организмы не способны синтезировать некоторые аминокислоты, например, триптофан, метионин, лизин и др. Поэтому они обязательно должны поступать в организм животного и человека с пищей. Такие аминокислоты называютсянезаменимыми.Белковая молекула состоит в среднем из 200–500 аминокислот.

В строении молекулы белка различают первичную, вторичную, третичную и четвертичнуюструктуры.Первичнаяструктура определяется порядком чередования аминокислот в линейной цепи белка, соединенных пептидными связями (–СО–NH–), которые образуются путем соединения аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты и выделением при этом молекулы воды. Все связи в первичной структуре являются ковалентными.Вторичнаяструктура является спиральной. Она формируется за счет образования водородных связей между остатками карбоксильной и аминной групп разных аминокислот, составляющих линейную (первичную) структуруТретичнаяструктура является шарообразной, или глобулярной.Четвертичная структура представляет собой объединение нескольких молекул с третичной организацией. Такое строение имеет гемоглобин, молекула которого состоит из четырех белковых молекул (двух α- и двух β-цепей), каждая из которых связана с железосодержащим комплексным соединением – гемом.

Аминокислоты могут соединяться в белках в любых последовательностях, поэтому в клетках живых организмов может создаваться огромное количество различных белков. В простейших организмах синтезируются несколько тысяч различных белков, а у людей – около 30-50 тысяч.

 Функции белков в живых организмах: 1) строительная(участие в образовании всех клеточных и внеклеточных структур); 2)транспортная(присоединение химических веществ и перенос их к различным тканям и органам живого организма); 3)двигательная(обеспечение всех видов движений в клетках и организме в целом); 4)энергетическая(белки являются источником энергии для клетки; при окислении 1 г белка выделяется 20 кДж энергии); 5)защитная (в ответ на поступление в организм чужеродных белков или микроорганизмов в лейкоцитах образуются особые белки – антитела); 6)регуляторная(белки выполняют функциигормонов– веществ, влияющих на активность ферментов (биокатализаторов)); 7)рецепторная, илисигнальная(факторы внешней среды вызывают обратимые изменения в структуре белка, способствующие возникновению химических реакций, обеспечивающих ответ клетки на внешнее раздражение); 8)каталитическая (белки-ферментыускоряют химические реакции, протекающие в клетках).

Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу наследственной информации в живых организмах, т.е. информации об их признаках. Они имеют полимерную структуру. Различают два вида нуклеиновых кислот:ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Мономерами ДНК и РНК являютсянуклеотиды, в состав которых входит одно изазотистых оснований (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц) или урацил (У)), остаток фосфорной кислоты иуглевод (рибоза С₅Н₁₀О₅ или дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄). ДНК состоит из азотистых оснований аденина, гуанина, тимина, цитозина, дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты; РНК содержит вместо тимина урацил, а вместо дезоксирибозы – рибозу.

ДНКявляется носителем наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов. Она содержится в хромосомах клеточного ядра, в эквивалентных структурах клеточных митохондрий и хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах.

Молекула ДНК – это двойной неразветвленный линейный полимер, имеющий вид правозакрученной или левозакрученной спирали. Нуклеотиды ДНК соединяются в цепь при помощи ковалентных связей. Цепи нуклеотидов соединяются в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклеотид одной цепи всегда соединяется двумя водородными связями только с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый нуклеотид при помощи трех водородных связей - только с цитозиновым нуклеотидом. Эти пары оснований, как и содержащие их нуклеотиды, называются комплементарными, а принцип формирования двуцепочечной молекулы ДНК –принципом комплементарности. Количество тимина в ДНК равно количеству аденина, а количество гуанина – количеству цитозина. Это правило установлено австрийским биохимиком Э. Чаргаффом в 1950 г. На основе него американский биохимик Дж.Уотсон (р.1928) пришел к выводу, что аденин одной цепи ДНК может соединяться только с тимином другой ее цепочки, а гуанин – с цитозином.

Модель строения ДНК в виде двойной спирали предложена в 1953 г. Дж.Уотсоном и английским биофизиком Ф.Криком (1916-2004) на основе данных рентгеноструктурного анализа, проведенного английской исследовательницей Р.Франклин (1920-1958). В 1962 г. за это открытие Дж.Уотсону и Ф.Крику была присуждена Нобелевская премия. Однако окончательное подтверждение двуспиральной структуры ДНК появилось только в начале 80-х годов ХХ века.

На основе анализа особенностей структуры молекулы ДНК ученые объяснили многие ее свойства и биологические функции, что положило начало молекулярной генетике.Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру.

При репликации(копировании) ДНК ее цепи под действием фермента ДНК-полимеразы расплетаются, и каждая из них используется как шаблон для сборки новой комплементарной цепи. В результате получаются две двойные спирали ДНК, каждая из которых содержит одну новую и одну старую цепи. Нуклеотиды в новых цепях подбираются в соответствии с принципом комплементарности, поэтому две новые молекулы ДНК идентичны по чередованию нуклеотидов исходной молекуле ДНК.

ДНК небольшого вируса обычно содержит несколько тысяч нуклеотидов и кодирует небольшое количество белков. В ДНК бактерий насчитывается уже несколько миллионов нуклеотидов, а в ДНК человека – около 3-х млрд. нуклеотидных пар, кодирующих десятки тысяч белков.

РНКявляются одноцепочечными полимерами, которые переносят информацию о последовательности аминокислот в белках от ДНК к местам синтеза белков в клетке (рибосомам) и участвуют в синтезе белков. У ряда вирусов двуцепочечные РНК являются хранителями наследственной информации.

Связь между нуклеотидами в цепи РНК осуществляется так же, как и в пределах одной цепи ДНК: через углевод и остаток фосфорной кислоты. Транспортные РНК (т-РНК)переносят аминокислоты к местам синтеза белков – рибосомам; т-РНК содержат 80–100 нуклеотидов.Рибосомные РНК (р-РНК)находятся в рибосомах и участвуют в синтезе белков; р-РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов.Информационная РНК (и-РНК)переносит от ДНК информацию о последовательности аминокислот в белках к местам их синтеза; и-РНК состоят из 300–3000 нуклеотидов.

Биосинтез белка – это процесс создания в клетках белковых молекул из аминокислот. Синтез белков требует больших энергетических затрат. В процессе биосинтеза белка определяющую роль играют свойства генетического кода. Генетический код – это определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК, несущие информацию о структуре белка.

Примитивные организмы имеют гораздо меньше генов, чем животные и растения. Поэтому, возможно, что древние живые организмы на Земле имели еще меньше генов. Увеличение генетического материала в биологической эволюции могло происходить при мутациях, когда участки хромосом в клетках при их делениях удваивались.

После открытия Дж. Уотсона и Ф. Крика двойной спирали ДНК стало ясно, что каждой из 20 аминокислот белкового алфавита живой природы должно соответствовать «слово» из нескольких нуклеотидов алфавита ДНК. Комбинации из двух нуклеотидов дают 16 «слов» (кодонов), что недостаточно для кодировки 20 аминокислот, а комбинации из трех нуклеотидов – 64 «слова», что избыточно. О том, как информация от генов поступает к белкам, в то время еще не знали. Однако было обнаружено, что ДНК и аминокислоты не взаимодействуют друг с другом напрямую.

Расшифровка генетического кода, т.е. нахождение соответствия между кодонами (совокупностями нуклеотидов) и кодируемыми ими аминокислотами, осуществлена в ходе экспериментальных работ в 1966 г. американскими биохимиками М.У. Ниренбергом, Р.У. Холли, Х.Г. Кораной и С. Очоа при активном участии Ф. Крика, Г.Гамова и других ученых. В 1968 г. за это открытие М.У. Ниренберг, Р.У. Холли и Х.Г. Корана получили Нобелевскую премию. С. Очоа стал лауреатом Нобелевской премии еще в 1959 г.

Генетический код устанавливает соответствие между четырехбуквенным языком нуклеиновых кислот и двадцатибуквенным языком белков.

Свойства генетического кода:

– триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами – триплетом (кодоном);

– универсальность: принцип кодирования един для всего живого на Земле;

– вырожденность: одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов;

– специфичность (однозначность): каждый триплет кодирует только одну аминокислоту (обнаружены, однако, редкие исключения, когда один кодон соответствует нескольким аминокислотам);

– неперекрываемость: кодоны одного гена не могут одновременно входить в соседний;

– непрерывность: в пределах одного гена считывание генетической информации происходит в одном направлении.

61 кодон из 64 возможных кодирует определенные аминокислоты, 3 кодона являются стоп-кодонами, определяющими окончание синтеза белковой цепи.

Созданный природой код жизни оказался гораздо проще, чем полагали многие ученые до его расшифровки. Но как он возник и почему в нем именно такие правила кодирования? Раньше считалось, что соответствие между кодонами и кодируемыми ими аминокислотами возникло чисто случайно. Однако сравнение канонического (стандартного) генетического кода(кода, который используется большинством организмов) с гипотетическими альтернативными кодами, выполненное в последние годы с помощью компьютерного моделирования, продемонстрировало, что канонический код обладает уникальным свойством – минимизацией последствий ошибок, возникающих в генах и в процессе синтеза белка.

Биосинтез белка состоит из двух этапов: трансляции и транскрипции.

Транскрипция – это биосинтез молекул всех типов РНК на одной из цепей молекулы ДНК при помощи ферментов РНК-полимеразы. В клетках синтезируются разновидности т-РНК, ориентированные на перенос 20 видов аминокислот. Нуклеотидный состав кодовых триплетов и-РНК комплементарен нуклеотидному составу триплетов ДНК, а нуклеотидный состав кодовых триплетов т-РНК комплементарен нуклеотидному составу триплетов и-РНК (кодовый триплет т-РНК ЦГА соответствует кодовому триплету и-РНК ГЦУ, а кодовый триплет ДНК АТГ соответствует кодовому триплету и-РНК УАЦ). Выше было отмечено, что т-РНК представляет собой относительно короткую по сравнению с другими видами РНК полимерную молекулу, состоящую примерно из 80-100 нуклеотидов. Три кодирующие аминокислоту нуклеотида (кодовый триплет т-РНК) расположены в ней в строго определенном месте. Другие ее нуклеотиды кодирующего значения не имеют.

В 70-е годы ХХ века было установлено, что большое количество ДНК в хромосомах высших организмов не имеет какой-либо определенной функции. Такую ДНК назвали эгоистичной(существующей в организме в основном только ради себя), илиинтронами. Кодирующие участки ДНК называютэкзонами.У человека на экзоны приходится 1-3% всего генома.

Синтезированная на ДНК-матрице информационная РНК выбрасывает нуклеотидные последовательности, которые не кодируют белки, и соединяет без участия белков-ферментов оставшиеся кодирующие совокупности нуклеотидов. Кодирующие участки могут соединяться в и-РНК в различных сочетаниях, поэтому в среднем у людей один ген кодирует 2-3 белка.

Трансляция – это перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и-РНК в последовательность аминокислот в белке. У эукариотов и-РНК через ядерную оболочку поступает в цитоплазму. В цитоплазме на один конец и-РНК нанизывается рибосома, которая перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, триплет за триплетом, предоставляя каждый из них для контакта с т-РНК. Если кодон т-РНК комплементарен кодону и-РНК, то аминокислота, доставленная такой т-РНК, включается в белковую цепь, а рибосома перемещается на следующий триплет и-РНК.

Сборка одной молекулы белка из 200–300 аминокислот составляет 1–2 минуты. После завершения синтеза белковая цепочка отделяется от матрицы – молекулы и-РНК и приобретает вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Самовоспроизведение молекул ДНК, строительство на одной из цепей ДНК молекул РНК всех типов, а также синтез в рибосомах с помощью РНК белков происходят только при участии белков-ферментов. Причем для каждого превращения нужен особый фермент, а для получения такого фермента – особый ген ДНК и соответствующие ему структуры РНК.

Так что же появилось раньше: белок, ДНК или РНК? В настоящее время неизвестно, какие из этих биополимеров участвовали в первичных процессах возникновения наблюдаемой нами жизни. Преимущество ДНК в том, что она более приспособлена к комплементарному самовоспроизведению и к лучшему хранению наследственной информации. Преимущество РНК – в способности выполнять некоторые каталитические функции. Однако они менее приспособлены к хранению информации и к самовоспроизведению. Белки очень плохо реплицируются, но даже короткие белковые молекулы со случайной последовательностью аминокислот ускоряют химические реакции в сотни и тысячи раз. РНК проявляют каталитическую активность только, если их молекулы состоят из достаточно большого количества нуклеотидов - нескольких десятков или даже сотен.

Недавно учеными было сделано важное открытие: отдельные гены, звенья ДНК, а также целые молекулы ДНК могут не только собирать с помощью белка-фермента РНК, но и, наоборот, собираться сами с помощью молекул РНК в присутствии особого белка-фермента. В некоторых лабораториях собрали короткую молекулу белка-антибиотика грамицидина без ДНК, РНК и клеточных рибосом. Кодом и ферментом для сборки грамицидина служил другой белок. Из этого следует, что первая жизнь могла появиться на белковой основе, затем она могла усовершенствоваться путем появления РНК, и только после этого возможным могло стать создание ДНК. В 1982 г. американский биохимик Т.Чек открыл РНК, способные самовоспроизводиться без участия белков-ферментов. Однако позже было установлено, что такой способностью обладают в основном только короткие молекулы РНК (длинным последовательностям для самовоспроизводства необходимы белковые ферменты). Тем не менее, РНК могла быть первой биологической молекулой.

В процессе эволюции нуклеиновые кислоты приобрели специализацию: ДНК стала хранить наследственную информацию, а РНК превратилась в посредника между ДНК и белками.

Более 100 лет назад химики установили, что белки состоят из аминокислот и научились синтезировать первые белковоподобные цепи. Белки подробно изучены, и в настоящее время ясно, что из них не возникнет жизнь, если не будет сложной системы других больших молекул.

Отдельно взятые белок или нуклеиновая кислота не могут быть живыми. Бессмысленно говорить о живых молекулах. Для появления и развития жизни необходимо взаимодействие между этими сложными органическими образованиями, которое должно осуществляться в структурах, отделенных от внешней среды специальными оболочками.

Одним из загадочных свойств «живых» полимеров, как установил еще французский ученый Л. Пастер (1822-1895) в XIXв., является наличие у ниххиральной чистоты, которая заключается в том, что у живых существ в белках содержатся аминокислоты, закрученные влево (за исключением глицина, который не хирален), а в нуклеиновых кислотах – сахара, закрученные вправо. По этому признаку можно отличать «живые» белки и нуклеиновые кислоты от неживых, в которых правые и левые аминокислоты и сахара содержатся в равных количествах, что называетсярацемацией. В экспериментах по абиогенному синтезу аминокислот получают примерно равные количества «правых» и «левых» молекул. В белках, обнаруженных в метеоритах, «правые» и «левые» аминокислоты также содержаться приблизительно в одинаковых количествах.

Переход к хиральной чистоте, который мог осуществиться либо на добиологической стадии развития предорганизмов, либо уже на этапе биологической эволюции, можно связать со спонтанным нарушением симметрии, произошедшим из-за неустойчивости симметричного рацемического состояния.

Опыты последних лет показали, что процесс самоудвоения достаточно длинных молекул ДНК, содержащих минимум несколько сотен нуклеотидов (а именно такие молекулы ДНК имеют современные живые организмы), возможен только тогда, когда она состоит из хирально одинаковых групп. Если азотистые основания ДНК закручены в разные стороны, самоудвоение может происходить только, если в ДНК содержится максимум несколько десятков нуклеотидов. Кроме этого, в живых организмах транспортная РНК к своим «правым» сахарам присоединяет только «левые» аминокислоты.

Ниже приведен стандартный генетический код, используемый большинством живых организмов на Земле, в котором указаны аминокислоты и кодирующие их триплеты ДНК и РНК.