Теория эволюции

Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему. Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы (а также верно смоделировать морфологию галактик).

Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория». Суть теории сводится к следующему: вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магелланово облако), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.

7. Строение Вселенной. Эволюция звезд и галактик. Солнечная система. Научные представления о проблеме внеземных цивилизаций.

Звёзды во Вселенной объединены в гигантские звёздные системы, называемые галактиками. Звёздная система, в составе которой находится наше Солнце, называется Галактикой (или Млечным Путём, поскольку слово «галактика» в переводе с греческого означает «млечный, молочный»).

Число звёзд в Галактике порядка 10¹². Светлая серебристая полоса звёзд, опоясывающая всё небо, которую мы называем Млечным Путём, представляет собой основную часть нашей Галактики, по форме напоминающую линзу или чечевицу (рис. 191). Диаметр Галактики приблизительно равен 30 000 пк¹ или почти 100 000 световых лет². Галактика не имеет чётких границ — по краям звёздная плотность постепенно сходит на нет. В центре Галактики расположено ядро диаметром 1000—2000 пк — гигантское уплотнённое скопление звёзд. Масса Галактики приблизительно равна 2 • 10¹¹ масс Солнца.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный шар, раскаленный и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был на столько раскален, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь, друг с другом.

На протяжении десяти миллиардов лет после “большого взрыва” простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.

Происхождения Солнечной системы и, в частности, Земли, то есть космогонией, придерживаются теории, созданной Отто Юльевичем Шмидтом3 (1891-1956) в 1950-е годы и модифицированной его последователями. В соответствии с ней планеты и другие тела образовались в газово-пылевом протопланетном облаке, имевшем форму диска и вращавшемся вокруг Солнца..

По образовавшемуся протопланетному диску бегут звуковые волны - это следующий этап эволюции Солнечной системы. Из-за них в диске возникают сгущения, постепенно они уплотняются и превращаются в рой твердых тел - планетезималей, которые впоследствии послужили строительным материалом для планет. Самые крупные планетезимали становились их "зародышами". Система формировалась довольно быстро, причем из-за особенностей гравитационного взаимодействия скорость формирования планет почти не зависела от расстояния до Солнца: близкая к нему Земля нарастила 98% своей массы за 108 лет, а более удаленные Уран и Нептун - за 109.

Меркурий	Венера	Земля	Марс	Юпитер	Сатурн	Уран	Нептун	Плутон
0,61	0,85	1,00	1,23	2,28	3,08	4,38	5,48	6,09

Определение жизни на других планетах, кроме Земли, является важной задачей для ученых, занимающихся вопросами возникновения и эволюции жизни. Наличие или отсутствие ее на планете оказывает существенное влияние на ее атмосферу и другие физические условия. Продвижение в проблеме внеземных цивилизаций важно, прежде всего, для более глубокого познания земного человечества, становящегося космической цивилизацией, для прогнозирования его будущего развития.

8. Геологические процессы на Земле. Естественнонаучное объяснение климатических изменений на Земле

Все геологические процессы подразделяют на экзогенные (извне рожденные) и эндогенные (внутри рожденные) . Экзогенные процессы обусловлены атмосферными явлениями, геологической деятельностью морей, рек, озер, подземных вод, ветра, ледников, животного и растительного мира. Эти процессы протекают на поверхности Земли и распространяются на глубину, обычно не превышающую нескольких десятков метров. Это процесс эрозии - разрушения горных пород и накапливание продуктов разрушения в местах понижения рельефа - седиментации (осадконакопления) . Общим результатом разрушения и накопления является постепенное выравнивание рельефа, которое приводит к ослаблению экзогенных процессов.

Наряду с естественными факторами на глобальные климатические условия оказывает всевозрастающее влияние хозяйственная деятельность человека. Это влияние начало проявляться тысячи лет назад, когда в связи с развитием земледелия в засушливых районах стало широко применяться искусственное орошение. Распространение земледелия в лесной зоне также приводило к некоторым изменениям климата, так как требовало вырубки лесов на больших пространствах. Однако изменения климата в основном ограничивались изменениями метеорологических условий только в нижнем слое воздуха в тех районах, где осуществлялись значительные хозяйственные мероприятия.

Во второй половине XX в. в связи с быстрым развитием промышленности и ростом энерговооруженности возникли угрозы изменения климата на всей планете. Современными научными исследованиями установлено, что влияние антропогенной деятельности на глобальный климат связано с действием нескольких факторов, из которых наибольшее значение имеют:

• увеличение количества атмосферного углекислого газа, а также некоторых других газов, поступающих в атмосферу в ходе хозяйственной деятельности, что усиливает парниковый эффект в атмосфере;

• увеличение массы атмосферных аэрозолей;

• возрастание количества вырабатываемой в процессе хозяйственной деятельности тепловой энергии, поступающей в атмосферу.

Наибольшее значение имеет первая из указанных причин антропогенного изменения климата. Суть «парникового эффекта» заключается в следующем. В атмосфере содержатся в определенной концентрации «радиационно-активные» газы, имеющие большое значение для жизни на Земле, поскольку задерживают тепло в нижних слоях атмосферы. Без этих газов температура земной поверхности была бы примерно на 33°С ниже. Однако повышение концентрации парниковых газов (углекислого газа — С0₂, метана — СН₄, закиси азота — N,0, хлорфторуглеродов и др.) у земной поверхности приводит к формированию определенной «газовой завесы», которая не пропускает избыточное инфракрасное излучение от поверхности Земли обратно в космос, как это должно быть при нормальной концентрации этих газов. В результате значительная часть энергии остается в приземном слое, что вызывает потепление у самой ее поверхности.

9. Химический уровень описания материального мира.

Химия – наука о веществах и процессах их превращения, сопровождающие изменением состава и структуры.

Первый уровень научных химических знаний, продол­жающийся с работ Р. Бойля (1660-е годы) до 1820-1830-х годов: свойства вещества определяются его составом. Химический элемент и химическое соединение. Дальтониды – химическое вещество молекулярного строения и бертоллиды – соединения немолекулярного строения. Вовлечение новых химических эле­ментов в производство материалов. Синтез новых элементоорганических соединений, например фторорганических, обла­дающих исключительной устойчивостью.

Второй уровень развития химических знаний (середина XIX века): свойства вещества и их качественное разнообразие обуславливаются составом и структурой молекул. Возникнове­ние структурной химии: работы Д. Дальтона, И.Я. Берцелиуса, Ш. Жерара, А. Кекуле, A.M. Бутлерова. Триумфальный марш органического синтеза. Пределы и проблемы структурной ор­ганической химии.

Третий уровень химических знаний (середина XX века): учение о химических процессах и механизмах изменения веще­ства. Свойства вещества зависят от термодинамических и кине­тических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции. Учение о химических процессах – область науки, где осуществляется глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химическое производство синтетиче­ских материалов.

10. Классификация элементарных частиц. Современные представления о строении атома. Основные законы квантовой физики. Виды фундаментальных взаимодействий, их характеристика.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. Так, элементарные частицы, различающиеся по своим свойствам и характеру взаимодействия, принято делить на две большие группы:

Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов.

Фотон, или квант света переносит электромагнитное взаимодействие.

Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки.

Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц.

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на:

- составные частицы: адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Общее число около четырехсот. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны – являются частицами с целочисленным спином (нулевым). Такие частицы называют бозонами; барионы – адроны с полуцелым спином (фермионы) и массами не меньше массы протона. За исключением протона все нестабильны.

В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.

Другие элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные – фундаментальные частицы, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.

Итак, микромир – это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10~⁸ до 10~¹⁶ см, а время жизни – от бесконечности до 10~²⁴ секунд.

Элементарные частицы - это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, к ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц.

Есть элементарные частицы, которые возникают при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения.

Оказалось, таким образом, что дать определение элементарной частицы не так просто. В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.

После установления сложной структуры многих элементарных частиц потребовалось ввести новое понятие - фундаментальные частицы, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.

Таким образом, много необычного и неожиданного несет для познания физического мира эта область – Микромир.

Современные представления о строении атома.

До конца XIX в. атом считали неделимой частицей, но последовавшие позже открытия (радиоактивность, фотоэффект) поколебали это убеждение. Сейчас известно, что атом состоит из элементарных частиц, основные из которых – протон, нейтрон, электрон. После открытия основных элементарных частиц, входящих в состав атома, встал вопрос об их местонахождении, т.е. о строении атома. В 1911 г. Томсон предложил свою модель строения атома, которая получила условное название «пудинг с изюмом». Согласно этой модели атом представляет собой некую субстанцию, в которой равномерно распределены протоны, нейтроны и электроны. Число протонов равно числу электронов, поэтому атом в целом электронейтрален. В 1913 г. Резерфорд ставит опыт, результаты которого модель Томсона объяснить не может.Это заставляет Резерфорда предложить свою модель строения атома, получившую название планетарной. Согласно этой модели атом состоит из ядра, в котором сконцентрирована основная масса атома, поскольку ядро содержит протоны и нейтроны; вокруг ядра на огромной скорости вращаются электроны. Поскольку модель Резерфорда содержала ряд противоречий, Н.Бором были введены постулаты, устраняющие эти противоречия.

 1-й постулат. Электроны вращаются вокруг ядра не по произвольным, а по строго определенным, стационарным орбитам.

2-й постулат. При движении по стационарной орбите электрон не излучает и не поглощает энергию. Изменение энергии происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.

• Электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу, т.е. ведет себя и как частица, и как волна. Как частица, электрон обладает массой и зарядом; как волна, он

Параметры для характеристики атомов

Массовое число А – сумма чисел протонов и нейтронов атома.

Заряд ядра Z – число протонов, определяется по порядковому номеру элемента в таблице Д.И.Менделеева. В 1913 г. английским физиком Г.Мозли было установлено, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.

Число нейтронов N определяется как разность между массовым числом и зарядом ядра (учитывая, что массой электрона можно пренебречь).

Изотопы – атомы одного элемента, имеющие одинаковый заряд ядра (следовательно, и количество электронов), но различное число нейтронов (следовательно, различные массовые числа). Например, элемент водород имеет три изотопа: протий, дейтерий и тритий. Первые два существуют в природе, тритий получен искусственным путем. Подавляющее большинство химических элементов имеет разное число природных изотопов с разным процентным содержанием каждого из них. Относительная атомная масса элемента, которая приводится в периодической системе, – это средняя величина массовых чисел природных изотопов данного элемента с учетом процентного содержания каждого из этих изотопов. Химические свойства всех изотопов одного химического элемента одинаковы. Следовательно, химические свойства элемента зависят не от атомной массы, а от заряда ядра.

Основные законы квантовой физики

Квантовая физика — наиболее обсуждаемый и скандальный раздел науки. По сути, это одно из самых эффективных и точных открытий теоретической области знания. Законы квантовой физики, будучи примененными для расчета эксперимента, показывают ничтожные отклонения результатов — порядка миллионных долей процента. На каком же утверждении основана квантовая физика?

Физика микромира, изучающая поведение атомов и процессы, происходящие при их взаимодействии, предусматривает механическую модель. То есть, атом условно можно представить в категориях, понятных каждому человеку. Законы квантовой физики, напротив, представляют атом в виде элементарной частицы, имеющей свойства материальной точки и волны излучения одновременно.