Естествознание

GNT1601: Естествознание Оффлайн-версия учебного курса сгенерирована автоматически 22 марта 2016 г., 19:49 для пользователя Карчин Сергей Викторович Английское название GNT1601 — Natural Sciences О курсе Объектом исследования в данном учебном курсе являются явления и законах природы. Описание Характерной особенностью курса естествознания является то, что естественные науки рассматриваются в нём не в изолированном виде, а как тесно связанные между собой дисциплины, составляющие единое целое. Можно сказать, что если каждая отдельная наука предлагает свой фрагмент знаний о природе и мире и свою точку зрения на него, то естествознание позволяет сложить из этих фрагментов и позиций целостную и объемную картину микро-, макро- и мегамира. Требования Курс не предусматривает специальных требований к началу изучения. Принцип изложения курса базируется на элементарной логике и здравом смысле. Специальные математические знания не требуются. Польза Курс предоставляет массу информации с позиций повышения общей эрудиции, может быть полезен для понимания основ физики, химии, осмысления критически важных понятий для человека и окружающего его мира. Цели и намерения Курс ориентирован на ознакомление студентов с важнейшими областями физики, химии, астрономии, живой и неживой природы. Условия завершения и оценка Электронный дифференцированный зачет. Для получения оценки “удовлетворительно” Вам необходимо ответить на 100% обязательных тестовых заданий, которые вынесены на зачет (это около половины всех контрольных заданий курса); для получения оценки “хорошо” — 75% всех тестовых заданий, включая обязательные; для получения оценки “отлично” — 100% всех тестовых заданий. Результаты обучения Результат с точки зрения государственного стандарта РФ Изучив курс студент будет способен: • владеть методами решения прикладных задач в области профессиональной деятельности; • ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности. • к саморазвитию и повышению своей квалификации и мастерства; • критически оценивать достоинства и недостатки, наметить пути и выбрать средства развития достоинств и устранения недостатков; • осознать социальную значимость своей будущей профессии, будет обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности; • к организованному подходу к освоению и приобретению новых навыков и компетенций; • к аналитической деятельности; Используемые образовательные технологии Технология дистанционного обучения, технология объяснительно-иллюстративного обучения, технология развивающего обучения, технология проблемного обучения, технология информационного обучения, технология организации самостоятельной работы, технология развития критического мышления, технология постановки цели, технология концентрированного обучения. Рекомендованная литература 1. Концепции современного естествознания. Под редакцией Л. А. Михайлова, Питер, 2012 г. 2. Саенко, Трушина, Арутюнян: Естествознание. Учебное пособие. Кнорус, 2016 г. 3. Степан Карпенков: Концепции современного естествознания: учебник. Кнорус, 2016 г. Общая трудоемкость 176 часов Предмет и структура естествознания • Наука • Наука как отрасль культуры • Наука как способ познания мира • Наука как социальный институт • Естествознание – комплекс наук о природе • Исторические этапы познания природы • Структура современного естествознания • Методы естественнонаучных исследований • Проверка знаний: предмет и структура естествознания Наука Термин «естествознание» происходит от соединения слов «естество», то есть природа, и «знание». Таким образом, дословное толкование термина – знание о природе. Естествознание в современном понимании – наука, представляющая собой комплекс наук о природе, взятых в их взаимосвязи. При этом под природой понимается все сущее, весь мир в многообразии его форм. Наука – это особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве. Науку рассматривают как сферу исследовательской деятельности, направленную на производство новых знаний о природе, обществе и человеке, включающую в себя все условия этого производства: ученых с их знаниями и способностями, научные учреждения и специальное оборудование, методы научно-исследовательской работы, систему научной информации. Возникнув в Европе после философии и религии, в современном виде наука сформировалась в XVI–XVIII вв. Причина возникновения науки – соединение в своеобразном типе европейской культуры восточной чувственности с греческой рациональностью. Активно развиваясь, к началу XVIII в. наука заняла доминирующее место в культуре человеческой деятельности. С тех пор значение науки неуклонно возрастает. Если в начале XIX в. развитие науки зависело от развития производства, то к концу столетия ситуация изменилась: развитие науки стало предшествовать развитию производства. В ХХ в. объем научной информации удваивался каждые 10–15 лет. В настоящее время наука охватывает около 15 тыс. дисциплин, которые разделяются на фундаментальные и прикладные, естественные и общественные. Изменился и статус ученого. До конца XIX в. научные исследования велись в университетах, где ученый добывал средства к жизни преподавательской работой. В настоящее время ученый – это особая профессия. С разделением науки на фундаментальную и прикладную, произошедшим в ХХ столетии, теоретические исследования стали непосредственно влиять на производство. Наука превратилась в важную производительную силу общества. Выделяют три основные ипостаси науки: отрасль культуры, способ познания мира, социальный институт. Наука как отрасль культуры Термин «культура» (от лат. cultura – возделывание, воспитание, развитие, почитание) вошел в обиход европейской социальной мысли во второй половине XVIII в. Первоначально понятие «культура» подразумевало целенаправленное воздействие человека на природу, а также воспитание и обучение самого человека. Современная трактовка понятия «культура» отражает как общее отличие человеческой жизнедеятельности от биологических форм жизни, так и качественное своеобразие конкретных исторических форм этой жизнедеятельности. Культура – специфический способ организации и развития человеческой жизнедеятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда, в системе социальных норм и учреждений, в духовных ценностях, в совокупности отношений людей к природе, между собой и к самим себе. Содержание понятия «культура» и его структура находятся в постоянном развитии и зависят от конкретной исторической эпохи, общественно-экономической формации, национальных особенностей. Культуру подразделяют на материальную и духовную. Материальная культура охватывает всю сферу материальной деятельности и ее результаты – орудия труда, жилище, одежду и т. д. Духовная культура включает в себя сферу сознания, духовного производства – нравственность, воспитание, этику, эстетику, религию, искусство, науку. Науку как составляющую общечеловеческой культуры от других отраслей культуры отличает целый ряд признаков. В отличие от техники целью науки является познание мира, а не использование полученных знаний о мире для его преобразования. От искусства наука отличается рациональностью. От философии науку отличает то, что ее выводы требуют эмпирической проверки. В отличие от идеологии научные истины общезначимы и не зависят от интересов определенных слоев общества. От религии наука отличается тем, что опирается не на веру, а на чувственную реальность. Наука решает частные проблемы и дает относительные ответы на частные вопросы, которые подтверждаются опытом. При этом в науке никогда не имеется достаточных оснований для уверенности в том, что достигнута истина. Как сфера человеческой деятельности наука имеет специфические черты. Универсальность – сообщает знания, истинные для тех условий, при которых они получены. Обезличенность – конечные результаты научного познания не зависят от национальности ученого, от места его проживания или индивидуальных особенностей. Систематичность – наука имеет определенную взаимосвязанную структуру, а не является бессвязным набором частей. Фрагментарность – наука делится на отдельные дисциплины, поскольку изучает не бытие в целом, а различные фрагменты реальности и ее параметры. Общезначимость – научные знания могут быть использованы всеми людьми. Наука оперирует единым языком терминов и понятий. Незавершенность – процесс научного познания бесконечен, так как научное знание не может достичь абсолютной истины. Преемственность – новые знания определенным образом соотносятся со старыми знаниями. Критичность – всякое знание относительно, любые результаты могут быть поставлены под сомнение и пересмотрены. Достоверность – любые научные выводы основаны на результатах, прошедших разностороннюю проверку. Внеморальность – научные истины нейтральны в морально-этическом плане. Нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания, либо к деятельности по его использованию. Рациональность – разработка теорий, выходящих за рамки эмпирического уровня, на основе законов логики. Чувственность – научные результаты признаются достоверными только после того, как они эмпирически проверены с использованием чувственного восприятия. Кроме того, для науки характерны свои методы исследований, использование приборов и оборудования, особый язык. Таким образом, специфика науки как отрасли культуры заключается в следующем: • наука познает реальность посредством изучения отдельных ее частей; • результаты науки требуют эмпирической проверки. Наука как способ познания мира Наиболее развитой формой познания в настоящее время является наука. Она познает объективные законы изучаемых явлений. Благодаря этому наука обладает предсказательной функцией, позволяет предвидеть ход событий. Формула науки: знать, чтобы предвидеть; предвидеть, чтобы действовать со знанием дела. Наряду с наукой существует вненаучное познание, занимающее важное место в жизни человека. На практике вненаучные формы познания часто бывают незаменимы. Среди них наиболее распространено обыденное познание. Под обыденным познанием понимают неспециализированную познавательную деятельность человека в процессе его жизнедеятельности. Результатом обыденного познания является жизненно-практическое знание. Такое знание не требует для своего усвоения и передачи специальной подготовки. При этом жизненно-практическое знание является ключевым во взаимопонимании людей и образует основу любого другого знания, в том числе и научного. Помимо обыденного, к вненаучному относят многочисленные специализированные виды практического познания и знания – например, практическое животноводство, растениеводство, швейное дело и т. д. Результатом обыденного познания, так же как и научного, может быть объективное знание о мире. При этом научное и обыденное познание имеют рядважных отличий: 1. Характер объекта познания. Обыденный опыт имеет дело с целым объектом и всем комплексом его внешних связей. В науке объект познают посредством изучения его частей и нахождения связей между ними, при этом на теоретическом уровне имеют дело не с самими объектами, асихидеализированными моделями. 2. Системностъ и обоснованностъ – признак, отличающий научное знание от обыденного. Научные знания выстраиваются в систему посредством логического выведения одних утверждений из других. 3. Проверка достоверности полученных знаний. Достоверность обыденного знания может быть установлена только опытом или в процессе производства. Наука использует специфическое средство проверки знаний – эксперимент. 4. Исполъзование специалъной аппаратуры. В отличие от обыденного познания наука нуждается в специальных орудиях и средствах исследования – научной аппаратуре (инструментах, приборах, оборудовании). 5. Исполъзуемый язык. В процессе обыденного познания пользуются обычным, разговорным языком. В науке помимо разговорного используется особо разработанный язык специфических терминов, символов, схем, формул. 6. Необходимостъ особой подготовки. В отличие от обыденного познания занятия наукой требуют особой подготовки – теоретической, практической, методической. Переход к научному познанию был длительным. К этапу зарождения и начального развития научного познания можно отнести период примерно с VII–VI вв. до н. э., когда в Древней Греции возник интерес к пониманию мира в целом, до XVI–XVIII вв. – времени возникновения науки. Познавательной предпосылкой науки явилось развитие критических функций разума и абстрактного мышления. Еще в древнем мире человек стал выделять себя из мира природы, почувствовал себя активной силой. Возникшее в дальнейшем общественное разделение труда способствовало накоплению рациональных знаний, а значит, и развитию научного способа познания. Научное познание иначе называют научным исследованием. Наука – не только результат научного исследования, но и само исследование. Она имеет определенную структуру. Выделяют два уровня научного исследования – эмпирический и теоретический. Эмпирическое исслелование (отгреч. empeiria – опыт) – это опытное познание. Теоретическое исслелование (от греч. theoria – рассматриваю, исследую) представляет собой систему логических высказываний, включающих в себя математические формулы, схемы, графики и др., образованные для установления законов природных, технических и социальных явлений. На основе эмпирических исследований могут быть сделаны эмпирические обобщения. На основе эмпирических обобщений формулируется гипотеза (от гр. hypothesis – основание, предположение) – научное предположение. Для формулировки гипотезы, объясняющей эмпирические факты, необходимо все предшествующее знание, касающееся данной проблемы. Научное предположение остается гипотезой до эмпирического подтверждения. После выдвижения определенной гипотезы с целью ее проверки исследование опять возвращается на эмпирический уровень. Для проверки научной гипотезы проводятся новые эксперименты. Если гипотеза выдерживает эмпирическую проверку, то она приобретает статус закона или закономерности, если нет – считается опровергнутой, и поиски иной, более приемлемой, гипотезы продолжаются. Совокупность нескольких законов, относящихся к одной области знания, называется теорией. В случае, если теория в целом не получает убедительного эмпирического подтверждения, она может быть дополнена новыми гипотезами. Подтвержденная на практике теория считается истинной до тех пор, пока не будет предложена новая теория, лучше объясняющая известные эмпирические факты, а также новые эмпирические факты, которые стали известны уже после принятия первоначальной теории и оказались противоречащими ей. Основной смысл, суть той или иной теории, выражается в концепции. Когда теория еще не выработана, а имеется только главная идея для объяснения определенных событий, то такую идею тоже называют концепцией. Концепция (от лат. conceptio – понимание, система) – это определенный способ понимания, трактовки какого-либо предмета, процесса, явления либо ведущий замысел, конструктивный принцип научной деятельности. Таким образом, каждая теория или гипотеза имеет свою концепцию, свой смысл и свой принцип научной деятельности. Наука как социальный институт В XVII–XVIII вв. в Европе были созданы первые научные общества, академии, начали издаваться научные журналы. Наука сложилась как социальный институт. Стремительным развитием всех отраслей науки характеризуется XX в. В этот периодвремени осуществлялось строительство крупных исследовательских институтов и лабораторий, оснащенных разнообразными приборами, вычислительной и иной техникой. Еще более интенсивными темпами развитие науки происходит в настоящее время. Внимание государства к науке в истории общества росло по мере того, как возрастали ее социальные функции. На протяжении четырех столетий наука завоевывала одну общественную позицию за другой. Срастаясь со всеми формами материального и духовного производства, политической и идеологической жизнью общества, наука превратилась в непосредственную производительную силу, в важнейший компонент научно-технического прогресса. Поэтому общество, заботящееся о своем будущем, заинтересовано в увеличении финансовых затрат на развитие науки. О масштабах научной сферы жизни современного общества свидетельствует численность ученых в мире. Если в начале XIX в. количество ученых составляло около 1 тыс. человек, к началу XX в. – уже порядка 100 тыс. человек, то к началу XXI в. численность научных работников в мире составила свыше 5 млн человек. Девяносто процентов всех ученых, когда-либо живших на планете, – наши современники. Согласно статистическим данным, удвоение объема научной информации в современном обществе происходит каждые 10–15 лет. Более 90 % всех важнейших научно-технических достижений человечества приходится на XX – начало XXI в. Система современного научного знания включает около 15 тыс. дисциплин, научных журналов насчитывается несколько сотен тысяч. В авангарде науки идут фундаментальные исследования. Высокими темпами развивается прикладная наука, основанная на экспериментальной, опытно-промышленной базе. Современные научные исследования требуют существенных материальных вложений. Например, строительство синхрофазотрона, необходимого для проведения исследований в области физики элементарных частиц, требует миллиардов долларов. Особенно дорогостоящими являются космические исследования. В развитых странах на науку сегодня затрачивается 2–3 % валового национального продукта. Но без этого невозможны ни достаточная обороноспособность страны, ни ее производственное могущество. В истории мировой науки российская наука всегда занимала одно из ведущих мест. В конце 80-х гг. XX в. в СССР было около 1,5 млн научных работников, что составляло примерно одну четверть ученых всего мира. Из них около 40 % занимались проблемами технических наук, порядка 30 % составляли специалисты в области естественных наук и медицины, а 30 % от общей численности советских ученых работали в гуманитарных научных областях. К сожалению, в последнее время ввиду низких материальных вложений российская наука находится в тяжелом состоянии, вследствие чего имела место массовая эмиграция ученых. С начала 90-х гг. прошлого столетия, то есть за неполные 20 лет, страну покинули около 1,5 млн специалистов. Согласно статистическим данным, заработная плата исследователей в фундаментальной науке в промышленно развитых странах Запада в 40–50 раз выше, чем в России, а годовые расходы на фундаментальную науку в США, например, в 8 раз больше, чем в нашей стране. Тем не менее в настоящее время ситуация начала стабилизироваться, многие ученые предпочитают оставаться в России, а не уезжать за рубеж. Это связано с позитивным экономическим развитием страны, с увеличением государственных и частных инвестиций в научную сферу. Экономический подъем России невозможен без опережающего развития науки. Поэтому в настоящее время наука является одним из приоритетных направлений в деятельности государства. Естествознание – комплекс наук о природе Естествознание, как указывалось ранее, – это совокупность наук о природе, взятых в их взаимосвязи. Однако данное определение не отражает в полной мере сущности естествознания, поскольку природа выступает как единое целое. Это единство не раскрывается ни одной частной наукой, ни всей их совокупностью. Множество специальных естественнонаучных дисциплин своим содержанием не исчерпывает всего, что мы подразумеваем под природой: природа глубже и богаче всех имеющихся теорий. Понятие природы трактуется по-разному. В самом широком смысле под природой понимается все сущее, весь мир в многообразии его форм. Природа в этом значении стоит в одном ряду с понятиями материи, Вселенной. Наиболее употребительно толкование понятия «природа» как совокупности естественных условий существования человеческого общества. В данной трактовке характеризуются место и роль природы в системе исторически меняющегося отношения к ней человека и общества. В более узком смысле под природой понимают объект науки, а точнее – совокупный объект естествознания. Современное естествознание развивает новые подходы к пониманию природы как единого целого. Это выражается в представлениях о развитии природы, о различных формах движения материи и разных структурных уровнях организации природы, в расширяющемся представлении о типах причинных связей. Например, с созданием теории относительности существенно видоизменились взгляды на пространственно-временную организацию объектов природы; развитие современной космологии обогащает представления о направлении естественных процессов; развитие экологии привело к пониманию глубоких принципов целостности природы как единой системы. В настоящее время под естествознанием понимается точное естествознание, то есть такое знание о природе, которое базируется на научном эксперименте, характеризуется развитой теоретической формой и математическим оформлением. Для развития специальных наук необходимо общее знание природы, комплексное осмысление ее объектов и явлений. Для получения таких общих представлений каждая историческая эпоха вырабатывает соответствующую естественнонаучную картину мира. Исторические этапы познания природы Процесс познания человеком природы начался еще в глубокой древности, но интенсивно стал развиваться в античный период. Важную роль в дальнейшем становлении естествознания как науки сыграли основанные на наблюдениях великие догадки древних философов. Так, родоначальник античной натурфилософии Фалес сумел предсказать солнечное затмение, наблюдавшееся в Греции в 585 г. до н. э. Эмпедокл, живший в VI в. до н. э., объяснил причину солнечного затмения прохождением Луны между Солнцем и Землей. Эмпедокл также высказал удивительную догадку о том, что свет распространяется с огромной скоростью и мы просто не замечаем длительности его распространения. Помимо работ в области астрономии Фалес известен также своими трудами по географии и физиологии, а Эмпедокл прославился не только как философ, но и как врач, физик и физиолог. Широко известны достижения античности в математике (Евклид, III в. до н. э., Пифагор, VI в. до н. э.), механике (Архимед, III в. до н. э.), астрономии (Птолемей, II в. до н. э.). В средневековье процесс познания природы находился в полной зависимости от богословия. В этот период развивались астрология, алхимия, магия и другие виды оккультного знания. Тем не менее постепенно накапливались новые факты и оттачивалась логика теоретического мышления. Например, возникновению и развитию научной химии, несомненно, способствовали работы средневековых алхимиков. Историю алхимии обычно начинают с IV в. н. э. В течение примерно тысячелетия алхимики пытались с помощью химических реакций, протекающих в сопровождении специфических заклинаний, получить философский камень, способствующий превращению любого вещества в золото, приготовить эликсир долголетия, создать универсальный растворитель. В качестве побочных продуктов их деятельности появились многие открытия, решения практически важных задач. Были созданы технологии получения красок, стекол, лекарств, сплавов. Алхимические исследования, не состоявшиеся теоретически, в дальнейшем явились основой для развития экспериментального естествознания. Особую роль в развитии процесса познания природы в X–XII вв. сыграли мыслители арабско-мусульманского мира, сохранившие связь с античной натурфилософией: ирано-таджикский философ и врач Ибн-Сина (Авиценна), ирано-таджикский математик, астроном, поэт и мыслитель Омар Хайям, арабский философ и врач Ибн Рошд (Аверроэс). Таким образом, в античный и средневековый периоды были созданы предпосылки для развития научного естествознания. Становление естествознания в современном его понимании, по мнению историков науки, прошло три стадии и в конце ХХ в. вступило в четвертую стадию. Первая стадия научного естествознания – натурфилософия, зародившаяся в позднем средневековье, относится к эпохе Возрождения (XV–XVI вв.). Этот период характеризуется получением знаний путем наблюдения, а не эксперимента, преобладанием догадок, а не опытно воспроизводимых выводов. При этом натурфилософия несет в себе глубокую конструктивную идею необходимости союза естествознания и философии, что прослеживается во всей последующей истории естествознания. Так, картина мироздания Дж. Бруно представляет собой воспроизведение философской модели античных атомистов на основе данных астрономических наблюдений. Итальянский философ доказывал, что у Вселенной нет центра, она беспредельна и состоит из бесконечного множества звездных систем. Теоретические положения и выводы, сделанные Дж. Бруно, базируются не столько на опытных данных, сколько на философском положении о целостности и непротиворечивости картины мира. Таким образом, несмотря на неразвитость естествознания, стадию натурфилософии отличает важная методологическая основа – синтез философских и естественнонаучных идей. Именно благодаря философскому подходу к осмыслению естественнонаучных знаний создаются научные картины мира, которые вырабатываются наукой каждой исторической эпохи. Вторая стадия развития естествознания – аналитическое естествознание (XVII – конец XIX в.) – связана с формированием и систематическим развитием экспериментально-теоретических исследований. Натурфилософское познание природы превратилось в современное естествознание, в систематическое научное познание на базе экспериментов и математического изложения полученных результатов. На стадии аналитического естествознания была получена основная масса достижений в изучении природы. Среди них – открытие законов классической механики, закона всемирного тяготения, периодического закона, разработка теории химического строения органических соединений, теории эволюции живых организмов. Возникли и начали интенсивное развитие естественные науки: физика, химия, биология, география, геология. Накопление знаний требовало более детального изучения объектов, что вело к дифференциации соответствующих наук. Так, химия разделилась на органическую и неорганическую, затем появились физическая и аналитическая химия. В биологии были выделены ботаника, зоология, анатомия, физиология. При этом внимание ученых было обращено главным образом на исследование объектов природы в сравнении с исследованиями процессов. Так, в химии изучали главным образом элементный состав и строение молекул веществ, и только к концу XIX в. ведущее место стало занимать учение о химических реакциях. В этот период преобладал подход к рассмотрению природы как неизменной во времени, то есть вне эволюции, а ее разных сфер – вне связи друг с другом. Несмотря на то что естествознание постепенно проникалось идеями эволюционного развития, данный подход просуществовал в науке вплоть до середины XIX в. Таким образом, стадию аналитического естествознания характеризуют следующие особенности: • тенденция к возрастающей дифференциации естественных наук; • преобладание эмпирических (то есть полученных посредством эксперимента) знаний над теоретическими; • преимущественное исследование объектов природы в сравнении с исследованиями процессов; • подход к рассмотрению природы как неизменной во времени, а ее разных сфер – вне связи друг с другом. Третья стадия – синтетическое естествознание (конец XIX – конец XX в.). На стадии синтетического естествознания возрастает роль теоретических знаний, интенсивно исследуются как природные объекты, так и процессы. Эволюционный подход к познанию природы становится методологической основой синтетического естествознания. Этот периодразвития науки характеризуется ясным пониманием целостности природы и неразрывной взаимосвязи отдельных ее частей. Например, любой живой организм можно рассматривать как механическую систему и как систему термодинамическую. Одновременно жизнь рассматривается как множество непрерывно протекающих химических реакций. При этом важно понимать, что данные подходы имеют относительный характер. Живой организм – единое целое, и потому подход к его изучению должен быть комплексным. Одним из результатов комплексного подхода к изучению природы как единого целого стало возникновение экологии – науки о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. Необходимость комплексного изучения природных объектов и явлений, с одной стороны, и одновременно растущая дифференциация наук — с другой, привели к необходимости создания синтетических дисциплин. Так на стыке смежных наук – биологии, химии, физики – появились физическая химия, биохимия, физико-химическая биология. Таким образом, главной отличительной особенностью синтетического естествознания является ориентация на создание синтетических научных дисциплин. В конце ХХ столетия естествознание вступило в четвертую стадию своего развития, которую называют интегральным естествознанием. Интегральное естествознание характеризуется не столько продолжающимися процессами синтеза двух-трех смежных наук, сколько масштабным объединением разных дисциплин и направлений научных исследований. Примером таких новых интегральных научных направлений является кибернетика. Кибернетика – это наука об общих принципах управления в машинах, живых организмах и обществе. Это интегральная наука, возникшая на стыке ряда специальных дисциплин – теории автоматов, техники связи, математической логики, теории информации и др. Другим примером масштабной научной интеграции является синергетика, претендующая на роль общей теории развития. Синергетика – новое направление междисциплинарных научных исследований процессов возникновения порядка из беспорядка (самоорганизации) в открытых системах физической, химической, биологической и другой природы. Существенную роль в процессе научной интеграции выполняют такие общенаучные методы исследования, как математизация естествознания, разработка принципов системных исследований, использование новейших информационных технологий. Таким образом, современный этап в развитии естествознания отличают ясное понимание целостности природы, эволюционный подход к ее изучению и к осмыслению результатов исследований, интенсивно идущие процессы интеграции разных научных направлений. Усиливающаяся тенденция к интеграции естественных наук позволяет предположить, что в дальнейшем на какой-то более глубокой основе будут объединены все науки о неживой и живой природе. Естествознание, вероятно, будет выступать как единая и многогранная наука о природе. Структура современного естествознания Современное естествознание представляет собой раздел науки, основанный на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез и создании теорий или эмпирических обобщений, описывающих природные явления. Совокупный объект естествознания – природа. Предмет естествознания – факты и явления природы, которые воспринимаются нашими органами чувств непосредственно или опосредованно, с помощью приборов. Задача ученого состоит в том, чтобы выявить эти факты, обобщить их и создать теоретическую модель, включающую законы, управляющие явлениями природы. Например, явление тяготения – конкретный факт, установленный посредством опыта; закон всемирного тяготения – вариант объяснения данного явления. При этом эмпирические факты и обобщения, будучи установленными, сохраняют свое первоначальное значение. Законы могут быть изменены в ходе развития науки. Так, закон всемирного тяготения был скорректирован после создания теории относительности. Основной принцип естествознания гласит: знания о природе должны допускать эмпирическую проверку. Это означает, что истиной в науке признается то положение, которое подтверждается воспроизводимым опытом. Таким образом, опыт является решающим аргументом принятия той или иной теории. Современное естествознание представляет собой сложный комплекс наук о природе. Оно включает в себя такие науки, как биология, физика, химия, астрономия, география, экология и др. Естественные науки различаются предметом своего изучения. Например, предметом изучения биологии являются живые организмы, химии – вещества и их превращения. Астрономия изучает небесные тела, география – особую (географическую) оболочку Земли, экология – взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. Каждая естественная наука сама является комплексом наук, возникших на разных этапах развития естествознания. Так, в состав биологии входят ботаника, зоология, микробиология, генетика, цитология и другие науки. При этом предметом изучения ботаники являются растения, зоологии – животные, микробиологии – микроорганизмы. Генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости организмов, цитология – живую клетку. Химия также подразделяется на ряд более узких наук: органическая химия, неорганическая химия, аналитическая химия. К географическим наукам относят геологию, землеведение, геоморфологию, климатологию, физическую географию. Дифференциация наук привела к выделению еще более мелких областей научного знания. К примеру, биологическая наука зоология включает в себя орнитологию, энтомологию, герпетологию, этологию, ихтиологию и т. д. Орнитология – наука, изучающая птиц; энтомология – насекомых; герпетология – пресмыкающихся; этология – наука о поведении животных; ихтиология изучает рыб. Современная тенденция развития естествознания такова, что одновременно с дифференциацией научного знания идут противоположные процессы – соединение отдельных областей знания, создание синтетических научных дисциплин. При этом важно, что объединение научных дисциплин происходит как внутри различных областей естествознания, так и между ними. Так, в химической науке на стыке органической химии с неорганической и биохимией возникли химия металлоорганических соединений и биоорганическая химия соответственно. Примерами межнаучных синтетических дисциплин в естествознании могут служить такие дисциплины, как физическая химия, химическая физика, биохимия, биофизика, физико-химическая биология. Однако современный этап развития естествознания – интегральное естествознание – характеризуется не столько продолжающимися процессами синтеза смежных наук, сколько масштабным объединением разных дисциплин и направлений научных исследований, причем тенденция к масштабной интеграции научного знания неуклонно возрастает. В естествознании различают науки фундаментальные и прикладные. Фундаментальные науки – физика, химия, астрономия – изучают базисные структуры мира, а прикладные занимаются применением результатов фундаментальных исследований для решения как познавательных, так и социально-практических задач. Например, физика металлов и физика полупроводников являются теоретическими прикладными дисциплинами, а металловедение, полупроводниковая технология – практическими прикладными науками. Таким образом, познание законов природы и построение на этой основе картины мира – непосредственная, ближайшая цель естествознания. Содействие практическому использованию этих законов – конечная его задача. От общественных и технических наук естествознание отличается по предмету, целям и методологии исследования. При этом естествознание рассматривается как эталон научной объективности, поскольку эта область знания раскрывает общезначимые истины, принимаемые всеми людьми. К примеру, другой крупный комплекс наук – обществознание – всегда был связан с групповыми ценностями и интересами, имеющимися как у самого ученого, так и в предмете исследования. Поэтому в методологии обществознания наряду с объективными методами исследования приобретает большое значение переживание изучаемого события, субъективное отношение к нему. Естествознание имеет существенные методологические отличия и от технических наук, обусловленные тем, что целью естествознания является познание природы, а целью технических наук – решение практических вопросов, связанных с преобразованием мира. Однако провести четкую грань между естественными, общественными и техническими науками на современном уровне их развития нельзя, поскольку существует целый ряддисциплин, занимающих промежуточное положение или являющихся комплексными. Так, на стыке естественных и общественных наук находится экономическая география, на стыке естественных и технических – бионика. Комплексной дисциплиной, которая включает и естественные, и общественные, и технические разделы, является социальная экология. Таким образом: • современное естествознание представляет собой обширный развивающийся комплекс наук о природе, характеризующийся одновременно идущими процессами научной дифференциации и создания синтетических дисциплин и ориентированный на интеграцию научных знаний. • Естествознание является основой для формирования научной картины мира. • Под научной картиной мира понимают целостную систему представлений о мире, его общих свойствах и закономерностях, возникающую в результате обобщения основных естественнонаучных теорий. • Научная картина мира находится в постоянном развитии. В ходе научных революций в ней происходят качественные преобразования, старая картина мира сменяется новой. Каждая историческая эпоха формирует свою научную картину мира. Методы естественнонаучных исследований Научное знание представляет собой систему, имеющую несколько уровней познания, различающихся по целому ряду параметров. В зависимости от предмета, характера, типа, метода и способа получаемого знания выделяют эмпирический и теоретический уровни познания. Каждый из них выполняет определенные функции и располагает специфическими методами исследования. Уровням соответствуют взаимосвязанные, но в то же время специфические виды познавательной деятельности: эмпирическое и теоретическое исследования. Выделяя эмпирический и теоретический уровни научного познания, современный исследователь отдает себе отчет в том, что если в обыденном познании правомерно различать чувственный и рациональный уровни, то в научном исследовании эмпирический уровень исследования никогда не ограничивается чисто чувственным знанием, теоретическое знание не представляет собой чистую рациональность. Даже первоначальные эмпирические знания, полученные путем наблюдения, фиксируются с использованием научных терминов. Теоретическое знание также не является чистой рациональностью. При построении теории используются наглядные представления, которые являются основой чувственного восприятия. Таким образом, можно сказать, что в начале эмпирического исследования преобладает чувственное, а в теоретическом – рациональное. На уровне эмпирического исследования не исключено выявление зависимостей и связей между явлениями, определенных закономерностей. Но если эмпирический уровень может уловить только внешнее проявление, то теоретический доходит до объяснения сущностных связей исследуемого объекта. Эмпирические знания – результат непосредственного взаимодействия исследователя с реальностью в наблюдении или эксперименте. На эмпирическом уровне происходит не только накопление фактов, но и их первичная систематизация, классификация, что позволяет выявлять эмпирические правила, принципы и законы, которые преобразуются в наблюдаемые явления. На этом уровне исследуемый объект отражается преимущественно во внешних связях и проявлениях. Сложность научного знания определяется наличием в нем не только уровней и методов познания, но и форм, в которых оно фиксируется и развивается. Основными формами научного познания являются факты, проблемы, гипотезы и теории. Их значение – раскрывать динамику процесса познания в ходе исследования и изучения какого-либо объекта. Установление фактов является необходимым условием успешности естественнонаучных исследований. Для построения теории факты должны быть не только достоверно установлены, систематизированы и обобщены, но и рассмотрены во взаимосвязи. Гипотеза – это предположительное знание, которое носит вероятностный характер и требует проверки. Если в ходе проверки содержание гипотезы не согласуется с эмпирическими данными, то оно отвергается. Если же гипотеза подтверждается, то можно говорить о ней с той или иной степенью вероятности. В результате проверки и доказательства одни гипотезы становятся теориями, другие уточняются и конкретизируются, третьи отбрасываются, если их проверка дает отрицательный результат. Основным критерием истинности гипотезы является практика в разных формах. Научная теория – обобщенная система знаний, дающая целостное отображение закономерных и существенных связей в определенной области объективной реальности. Основная задача теории заключается в том, чтобы описать, систематизировать и объяснить все множество эмпирических фактов. Теории классифицируют как описательные, научные и дедуктивные. В описательных теориях исследователи формулируют общие закономерности на основе эмпирических данных. Описательные теории не предполагают логического анализа и конкретности доказательств (физиологическая теория И. Павлова, эволюционная теория Ч. Дарвина и др.). В научных теориях конструируют модель, замещающую реальный объект. Следствия теории проверяются экспериментом (физические теории и др.). В дедуктивных теориях разработан специальный формализованнный язык, все термины которого подвергаются интерпретации. Первая из них – «Начала» Евклида (сформулирована основная аксиома, потом к ней добавлены положения, логически выведенные из нее, и все доказательства проводятся на этой основе). Главными элементами научной теории являются принципы и законы. Принципы представляют общие и важные подтверждения теории. В теории принципы играют роль первичных предпосылок, образующих ее основу. В свою очередь, содержание каждого принципа раскрывается с помощью законов. Они конкретизируют принципы, раскрывают механизм их действия, логику взаимосвязи, вытекающих из них следствий. Законы представляют собой форму теоретических утверждений, раскрывающих общие связи изучаемых явлений, объектов и процессов. При формулировании принципов и законов исследователю достаточно непросто уметь увидеть за многочисленными, часто совершенно непохожими внешне фактами именно существенные свойства и характеристики исследуемых свойств объектов и явлений. Трудность заключается в том, что в непосредственном наблюдении зафиксировать сущностные характеристики исследуемого объекта сложно. Поэтому прямо перейти с эмпирического уровня познания на теоретический нельзя. Теория не строится путем непосредственного обобщения опыта, поэтому следующим шагом становится формулирование проблемы. Она определяется как форма знания, содержанием которой является осознанный вопрос, для ответа на который имеющихся знаний недостаточно. Поиск, формулирование и решение проблем – основные черты научной деятельности. В свою очередь, наличие проблемы при осмыслении необъяснимых фактов влечет за собой предварительный вывод, требующий экспериментального, теоретического и логического подтверждения. Процесс познания окружающего мира представляет собой решение разного рода задач, возникающих в ходе практической деятельности человека. Эти проблемы решаются путем использования особых приемов – методов. Методы науки – совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности. Методы исследований оптимизируют деятельность человека, вооружают его наиболее рациональными способами организации деятельности. А. П. Садохин кроме выделения уровней познания при классификации научных методов учитывает критерий применяемости метода и выделяет общие, особенные и частные методы научного познания. Выделенные методы часто сочетаются и комбинируются в процессе исследования. Общие методы познания касаются любой дисциплины и дают возможность соединить все этапы процесса познания. Эти методы используются в любой области исследования и позволяют выявлять связи и признаки исследуемых объектов. В истории науки исследователи к таким методам относят метафизический и диалектический методы. Частные методы научного познания – это методы, применяющиеся только в отдельной отрасли науки. Различные методы естествознания (физики, химии, биологии, экологии и т. д.) являются частными по отношению к общему диалектическому методу познания. Иногда частные методы могут использоваться за пределами тех отраслей естествознания, в которых они возникли. Например, физические и химические методы используются в астрономии, биологии, экологии. Часто исследователи применяют комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, экология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, биологии. Частные методы познания связаны с особенными методами. Особенные методы исследуют определенные признаки изучаемого объекта. Они могут проявляться на эмпирическом и на теоретическом уровнях познания и быть универсальными. Среди особенных эмпирических методов познания выделяют наблюдение, измерение и эксперимент. Наблюдение представляет собой целенаправленный процесс восприятия предметов действительности, чувственное отражение объектов и явлений, в ходе которого человек получает первичную информацию об окружающем мире. Поэтому исследование чаще всего начинается с наблюдения, и лишь потом исследователи переходят к другим методам. Наблюдения не связаны с какой-либо теорией, но цель наблюдения всегда связана с некой проблемной ситуацией. Наблюдение предполагает наличие определенного плана исследования, предположение, подвергаемое анализу и проверке. Наблюдения используются там, где нельзя поставить прямой эксперимент (в вулканологии, космологии). Результаты наблюдения фиксируются в описании, отмечающем те признаки и свойства изучаемого объекта, которые являются предметом изучения. Описание должно быть максимально полным, точным и объективным. Именно описания результатов наблюдения составляют эмпирический базис науки, на их основе создаются эмпирические обобщения, систематизация и классификация. Измерение – это определение количественных значений (характеристик) изучаемых сторон или свойств объекта с помощью специальных технических устройств. Большую роль в исследовании играют единицы измерения, с которыми сравниваются полученные данные. Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Он представляет собой целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на интересующий объект или явление для изучения его различных сторон, связей и отношений. В ходе экспериментального исследования ученый вмешивается в естественный ход процессов, преобразует объект исследования. Специфика эксперимента состоит также в том, что он позволяет увидеть объект или процесс в чистом виде. Это происходит за счет максимального исключения воздействия посторонних факторов. Экспериментатор отделяет существенные факты от несущественных и тем самым значительно упрощает ситуацию. Такое упрощение способствует глубокому пониманию сути явлений и процессов и создает возможность контролировать многие важные для данного эксперимента факторы и величины. Для современного эксперимента характерны особенности: увеличение роли теории на подготовительном этапе эксперимента; сложность технических средств; масштабность эксперимента. Основная задача эксперимента заключается в проверке гипотез и выводов теорий, имеющих фундаментальное и прикладное значение. В экспериментальной работе при активном воздействии на исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо специально созданных условиях. В процессе естественнонаучного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию исследуемого объекта и создают для него различные управляемые условия. С. X. Карпенков подразделяет экспериментальные средства по содержанию на следующие системы: • систему, содержащую исследуемый объект с заданными свойствами; • систему, обеспечивающую воздействие на исследуемый объект; • измерительную систему. С. Х. Карпенков указывает, что в зависимости от поставленной задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при исследовании свойств вещества, не встречающегося в природе в обычных условиях, да еще и при низкой температуре, важны все системы экспериментальных средств. В любом естественнонаучном эксперименте выделяют такие этапы: • подготовительный этап; • этап сбора экспериментальных данных; • этап обработки результатов. Подготовительный этап представляет собой теоретическое обоснование эксперимента, его планирование, изготовление образца исследуемого объекта, выбор условий и технических средств исследований. Результаты, полученные на хорошо подготовленной экспериментальной базе, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить те или иные признаки исследуемого объекта, сопоставить полученные результаты с гипотезой, что очень важно при определении правильности и степени достоверности окончательных результатов исследования. Для повышения достоверности полученных результатов эксперимента необходимы: • многократная повторность измерений; • совершенствование технических средств и приборов; • строгий учет факторов, влияющих на исследуемый объект; • четкое планирование эксперимента, позволяющее учесть специфику исследуемого объекта. Среди особенных теоретических методов научного познания выделяют процедуры абстрагирования и идеализации. В процессах абстрагирования и идеализации формируются понятия и термины, используемые во всех теориях. Понятия отражают существенную сторону явлений, появляющуюся при обобщении исследования. При этом из объекта или явления выделяется только некоторая его сторона. Так, понятию «температура» может быть дано операционное определение (показатель степени нагретости тела в определенной шкале термометра), а с позиций молекулярно-кинетической теории температура – это величина, пропорциональная средней кинетической энергии движения частиц, составляющих тело. Абстрагирование – мысленное отвлечение от всех свойств, связей и отношений изучаемого объекта, которые считают несущественными. Таковы модели точки, прямой линии, окружности, плоскости. Результат процесса абстрагирования называется абстракцией. Реальные объекты в каких-то задачах могут быть заменены этими абстракциями (Землю при движении вокруг Солнца можно считать материальной точкой, но нельзя при движении по ее поверхности). Идеализация представляет операцию мысленного выделения какого-то одного важного для данной теории свойства или отношения, мысленного конструирования объекта, наделенного этим свойством (отношением). В результате идеальный объект обладает только этим свойством (отношением). Наука выделяет в реальной действительности общие закономерности, которые существенны и повторяются в различных предметах, поэтому приходится идти на отвлечения от реальных объектов. Так образуются такие понятия, как «атом», «множество», «абсолютно черное тело», «идеальный газ», «сплошная среда». Полученные таким образом идеальные объекты в действительности не существуют, так как в природе не может быть предметов и явлений, имеющих только одно свойство или качество. При применении теории необходимо вновь сопоставить полученные и использованные идеальные и абстрактные модели с реальностью. Поэтому важны выбор абстракций в соответствии с их адекватностью данной теории и последующее исключение их. Среди особенных универсальных методов исследований выделяют анализ, синтез, сравнение, классификацию, аналогию, моделирование. Процесс естественнонаучного познания совершается так, что мы сначала наблюдаем общую картину изучаемого объекта, при которой частности остаются в тени. При таком наблюдении нельзя познать внутреннюю структуру объекта. Для ее изучения мы должны разделить изучаемые объекты. Анализ – одна из начальных стадий исследования, когда от цельного описания объекта переходят к его строению, составу, признакам и свойствам. Анализ – метод научного познания, в основе которого лежит процедура мысленного или реального разделения объекта на составляющие его части и их отдельное изучение. Невозможно познать сущность объекта, только выделяя в нем элементы, из которых он состоит. Когда путем анализа частности исследуемого объекта изучены, он дополняется синтезом. Синтез – метод научного познания, в основе которого лежит объединение выделенных анализом элементов. Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единственных знаний, полученных с помощью анализа. Он показывает место и роль каждого элемента в системе, их связь с другими составными частями. Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга, синтез – обобщает аналитически выделенные и изученные особенности объекта. Анализ и синтез берут свое начало в практической деятельности человека. Человек научился мысленно анализировать и синтезировать лишь на основе практического разделения, постепенно осмысливая то, что происходит с объектом при выполнении практических действий с ним. Анализ и синтез являются компонентами аналитико-синтетического метода познания. При количественном сопоставлении исследуемых свойств, параметров объектов или явлений говорят о методе сравнения. Сравнение – метод научного познания, позволяющий установить сходство и различие изучаемых объектов. Сравнение лежит в основе многих естественнонаучных измерений, составляющих неотъемлемую часть любых экспериментов. Сравнивая объекты между собой, человек получает возможность правильно познавать их и тем самым правильно ориентироваться в окружающем мире, целенаправленно воздействовать на него. Сравнение имеет значение, когда сравниваются действительно однородные и близкие по своей сущности объекты. Метод сравнения выделяет отличия исследуемых объектов и составляет основу любых измерений, то есть основу экспериментальных исследований. Классификация – метод научного познания, который объединяет в один класс объекты, максимально сходные друг с другом в существенных признаках. Классификация позволяет свести накопленный многообразный материал к сравнительно небольшому числу классов, типов и форм и выявить исходные единицы анализа, обнаружить устойчивые признаки и отношения. Как правило, классификации выражаются в виде текстов на естественных языках, схем и таблиц. Аналогия – метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при рассмотрении какого-либо объекта, на другой, менее изученный, но схожий с первым по каким-то существенным свойствам. Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, причем сходство устанавливается в результате сравнения предметов между собой. Таким образом, в основе метода аналогии лежит метод сравнения. Метод аналогии тесно связан с методом моделирования, который представляет собой изучение каких-либо объектов с помощью моделей с дальнейшим переносом полученных данных на оригинал. В основе этого метода лежит существенное сходство объекта-оригинала и его модели. В современных исследованиях используют различные виды моделирования: предметное, мысленное, символическое, компьютерное. Предметное моделирование представляет собой использование моделей, воспроизводящих определенные характеристики объекта. Мысленное моделирование представляет собой использование различных мысленных представлений в форме воображаемых моделей. Символическое моделирование использует в качестве моделей чертежи, схемы, формулы. В них в символико-знаковой форме отражаются определенные свойства оригинала. Видом символического моделирования является математическое моделирование, производимое средствами математики и логики. Оно предполагает формирование систем уравнений, которые описывают исследуемое природное явление, и их решение при различных условиях. Компьютерное моделирование получило широкое распространение в последнее время (Садохин А. П., 2007). Разнообразие методов научного познания создает трудности в их применении и понимании их роли. Эти проблемы решаются особой областью знания – методологией. Основной задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности, развития методов познания. Фундаментальные понятия о материи • Материя и ее свойства • Классификация элементарных частиц • Фундаментальные взаимодействия • Тепловое излучение. Рождение квантовых представлений • Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда • Теория Бора для атома водорода. Постулаты Бора • Основные понятия ядерной физики • Радиоактивность • Проверка знаний: Фундаментальные понятия о материи Материя и ее свойства Материя – бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения. Она включает в себя не только непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях. Неотъемлемым свойством материи является движение. Движение материи представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. В природе наблюдаются различные виды движения материи: механическое, колебательное и волновое, тепловое движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы, радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы. На современном этапе развития естествознания исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум. Вещество представляет собой основной вид материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относят: элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния веществ. Физическое поле представляет собой особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям исследователи относят: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным частицам. Источником физических полей являются частицы. Физический вакуум – это низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин был введен в квантовую теорию поля для объяснения некоторых процессов. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время. При описании материальных систем используют корпускулярную (от лат. corpuskulum – частица) и континуальную (от лат. continium – непрерывный) теории. Континуальная теория рассматривает повторяющиеся непрерывные процессы, колебания, которые происходят в окрестности некоторого среднего положения. При распространении колебаний в среде возникают волны. Теория колебаний – область физики, занимающаяся исследованием этих закономерностей. Таким образом, континуальная теория описывает волновые процессы. Наряду с волновым (континуальным) описанием широко используется понятие частицы – корпускулы. С точки зрения континуальной концепции вся материя рассматривалась как форма поля, равномерно распространенного в пространстве, а после случайного возмущения поля возникли волны, то есть частицы с различными свойствами. Взаимодействие этих образований привело к появлению атомов, молекул, макротел, образующих макромир. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир. Микромир – это область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляется в диапазоне от 10−8 до 10−16 см, а время жизни – от бесконечности до 10−24 с. Это мир от атомов до элементарных частиц. Все они обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабом с человеком. На этом уровне пространственные величины измеряются от миллиметров до километров, а время – от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности. Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами (1 а. е. = 8,3 световых минуты), световыми годами (1 световой год = 10 трлн км) и парсеками (1пк = 30 трлн км), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню относятся наиболее крупные материальные объекты: планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие метагалактики. Классификация элементарных частиц Элементарные частицы – основные структурные элементы микромира. Элементарные частицы могут быть составными (протон, нейтрон) и несоставными (электрон, нейтрино, фотон). К настоящему времени обнаружено более 400 частиц и их античастиц. Некоторые элементарные частицы обладают необычными свойствами. Так, долгое время считалось, что частица нейтрино не имеет массы покоя. В 30-е гг. XX в. при изучении бета-распада было обнаружено, что распределение по энергиям электронов, испускаемых радиоактивными ядрами, происходит непрерывно. Из этого следовало, что или не выполняется закон сохранения энергии, или кроме электронов испускаются трудно регистрируемые частицы, подобные фотонам с нулевой массой покоя, уносящие часть энергии. Ученые предположили, что это нейтрино. Однако зарегистрировать нейтрино экспериментально удалось только в 1956 г. на огромных подземных установках. Сложность регистрации этих частиц заключается в том, что захват частиц нейтрино происходит чрезвычайно редко из-за их высокой проникающей способности. В ходе экспериментов было установлено, что масса покоя нейтрино не равна нулю, хотя от нуля отличается ненамного. Интересными свойствами обладают и античастицы. Они имеют многие из тех же признаков, что и их частицы-двойники (массу, спин,[1] время жизни и т. д.), но отличаются от них знаками электрического заряда или другими характеристиками. В 1928 г. П. Дирак предсказал существование античастицы электрона – позитрона, который был обнаружен спустя четыре года К. Андерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон – не единственная пара частиц-двойников, все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция (от лат. annihilatio – превращение в ничто) – превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы, число и вид которых определяются законами сохранения. Например, в результате аннигиляции пары электрон– позитрон рождаются фотоны. Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. Вместе с тем продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы быть составными «кирпичиками» для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками, была высказана в 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном (Нобелевская премия 1969 г.). Элементарные частицы обладают большим количеством характеристик. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Кварки могут соединяться друг с другом парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (протоны и нейтроны). В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц. Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, времени жизни частиц, спину и др. В зависимости от массы покоя частицы (масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу) выделяют: • фотоны (греч. photos – частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света); • лептоны (греч. leptos – легкий) – легкие частицы (электрон и нейтрино); • мезоны (греч. mesos – средний) – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона (пи-мезон, ка-мезон и др.); • барионы (греч. barys – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны и др.). В зависимости от электрического заряда выделяют: • частицы с отрицательным зарядом (например, электроны); • частицы с положительным зарядом (например, протон, позитроны); • частицы с нулевым зарядом (например, нейтрино). Существуют частицы с дробным зарядом – кварки. С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, среди них выделяют: • адроны (греч. adros – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии; • лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии; • частицы – переносчики взаимодействий (фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия; гравитоны – переносчики гравитационного взаимодействия; глюоны – переносчики сильного взаимодействия; промежуточные векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия). По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10−10 —10−24 с. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10−10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет 10−24—10−26 с. Фундаментальные взаимодействия Взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гравитационное взаимодействие первым из известных фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформулирован И. Ньютоном Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий. Тем не менее гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик. Важная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью: все тела, частицы и поля участвуют в нем. Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – кванты гравитационного поля. Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро– и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются электромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя. Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц. Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны. Характеристики фундаментальных взаимодействий представлены в табл. 2.1. Таблица 2.1. Характеристики фундаментальных взаимодействий Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других взаимодействий. Радиус его действия неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является основным для объектов с большими массами. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного, хотя радиус его действия также неограничен. Сильное и слабое взаимодействия имеют очень ограниченный радиус действия. Одна из важнейших задач современного естествознания – создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей различные виды взаимодействия. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц. Тепловое излучение. Рождение квантовых представлений В конце XX в. волновая теория не могла объяснить и описать тепловое излучение во всем диапазоне частот электромагнитных волн теплового диапазона. А то, что тепловое излучение, и в частности свет, является электромагнитными волнами, стало научным фактом. Дать точное описание теплового излучения удалось немецкому физику Максу Планку. 14 декабря 1900 г. Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, в котором изложил свою гипотезу квантовой природы теплового излучения и новую формулу излучения (формула Планка). Этот день физики считают днем рождения новой физики – квантовой. Выдающийся французский математик и физик А. Пуанкаре писал: «Квантовая теория Планка есть, без всякого сомнения, самая большая и самая глубокая революция, которую натуральная философия претерпела со времен Ньютона». Планк установил, что тепловое излучение (электромагнитная волна) испускается не сплошным потоком, а порциями (квантами). Энергия каждого кванта — E=hv то есть пропорциональна частоте электромагнитной волны – v . Здесь h – постоянная Планка, равная 6,62⋅10−34Дж⋅с . Совпадение расчетов Планка с опытными данными было полным. В 1919 г. М. Планку присвоили Нобелевскую премию. На основе квантовых представлений А. Эйнштейн в 1905 г. разработал теорию фотоэффекта (Нобелевская премия 1922 г.), поставив науку перед фактом: свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, он излучается, распространяется и поглощается квантами (порциями). Кванты света стали называть фотонами. Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда А. Опыты Резерфорда В 1911 г. Резерфорд провел исключительные по своему значению эксперименты, доказавшие существование ядра атома. Для исследования атома Резерфорд применил его зондирование (бомбардировку) с помощью α-частиц, которые возникают при распаде радия, полония и некоторых других элементов. Резерфордом и его сотрудниками еще в более ранних опытах в 1909 г. было установлено, что α-частицы обладают положительным зарядом, равным по модулю удвоенному заряду электрона q=+2e , и массой, совпадающей c массой атома гелия, то есть ma=6,62⋅10−27кг что примерно в 7300 раз больше массы электрона. Позже было установлено, что α -частицы представляют собой ядра атомов гелия. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут изменить траекторию α-частαицы. Их рассеяние (изменение направления движения) может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α -частиц можно определить характер распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома. Было известно, что α -частицы, излученные полонием, летят со скоростью 1,6⋅107 м/с. Полоний помещался внутрь свинцового футляра, вдоль которого высверлен узкий канал. Пучок α-частиц, пройдя канал и диафрагму, падал на фольгу. Золотую фольгу можно сделать исключительно тонкой – толщиной 4⋅10−7 м (в 400 атомов золота; это число можно оценить, зная массу, плотность и молярную массу золота). После фольги α -частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), обусловленной флуресценцией, которая наблюдалась в микроскоп. При хорошем вакууме внутри прибора (чтобы не было рассеяния частиц от молекул воздуха) в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок из сцинтилляций, вызываемых тонким пучком α-частиц. Когда на пути пучка помещалась фольга, то подавляющее большинство α-частиц все равно не отклонялось от своего первоначального направления, то есть проходило сквозь фольгу, как если бы она представляла собой пустое пространство. Однако имелись α-частицы, которые изменяли свой путь и даже отскакивали назад. Марсден и Гейгер, ученики и сотрудники Резерфорда, насчитали более миллиона сцинтилляций и определили, что примерно одна из 2 тысяч α -частиц отклонялась на углы, большие 90°, а одна из 8 тысяч – на 180°. Объяснить этот результат на основе других моделей атома, в частности Томсона, было нельзя. Расчеты показывают, что при распределении по всему атому положительный заряд (даже без учета электронов) не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить α -частицу назад. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Рассеяние α -частиц на большие углы происходит так, как если бы весь положительный заряд атома был сосредоточен в его ядре – области, занимающей весьма малый объем по сравнению со всем объемом атома. Вероятность попадания α -частиц в ядро и их отклонение на большие углы очень мала, поэтому для большинства α -частиц фольги как бы не существовало. Резерфорд теоретически рассмотрел задачу о рассеянии α -частиц в кулоновском электрическом поле ядра и получил формулу, позволяющую по плотности потока α-частиц, налетающих на ядро, и измеренному числу частиц, рассеянных под некоторым углом, определить число N элементарных положительных зарядов +е, содержащихся в ядре атомов данной рассеивающей фольги. Опыты показали, что число N равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева, то есть N=Z (для золота Z=79 ). Таким образом, гипотеза Резерфорда о сосредоточении положительного заряда в ядре атома позволила установить физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе элементов. В нейтральном атоме должно содержаться также Z электронов. Существенно, что число электронов в атоме, определенное различными методами, совпало с числом элементарных положительных зарядов в ядре. Это послужило проверкой справедливости ядерной модели атома. Б. Ядерная модель атома Резерфорда Обобщая результаты опытов по рассеянию α -частиц золотой фольгой, Резерфорд установил: • атомы по своей природе в значительной мере прозрачны для α  -частиц;  отклонения α • -частиц на большие углы возможны только в том случае, если внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, создаваемое положительным зарядом, связанным с большой и сконцентрированной в очень малом объеме массой. Для объяснения этих опытов Резерфорд предложил ядерную модель атома: в ядре атома (области с линейными размерами 10−15−10−14 м) сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса атома (99,9 %). Вокруг ядра в области с линейными размерами ~10−10 м (размеры атома оценены в молекулярно-кинетической теории) движутся по замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны, масса которых составляет лишь 0,1 % массы ядра. Следовательно, электроны находятся от ядра на расстоянии от 10 000 до 100 000 поперечников ядра, то есть основную часть атома составляет пустое пространство. Ядерная модель атомов Резерфорда напоминает солнечную систему: в центре системы находится «солнце» – ядро, а вокруг него по орбитам движутся «планеты» – электроны, поэтому данную модель называют планетарной. Электроны не падают на ядро потому, что электрические силы притяжения между ядром и электронами уравновешиваются центробежными силами, обусловленными вращением электронов вокруг ядра. В 1914 г., через три года после создания планетарной модели атома, Резерфорд исследовал положительные заряды в ядре. Бомбардируя электронами атомы водорода, он обнаружил, что нейтральные атомы превратились в положительно заряженные частицы. Так как атом водорода имеет один электрон, Резерфорд решил, что ядро атома является частицей, несущей элементарный положительный заряд +e . Эту частицу он назвал протоном. Планетарная модель хорошо согласуется с опытами по рассеиванию α -частиц, но она не может объяснить устойчивость атома. Рассмотрим, например, модель атома водорода, содержащего ядро-протон и один электрон, который движется со скоростью v вокруг ядра по круговой орбите радиуса r . Электрон должен по спирали падать на ядро, и частота его обращения вокруг ядра (следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн) должна непрерывно изменяться, то есть атом неустойчив, и его электромагнитное излучение должно иметь непрерывный спектр. В действительности оказывается, что: • атом устойчив; • атом излучает энергию лишь при определенных условиях; • излучение атома имеет линейчатый спектр, определяемый его строением. Таким образом, применение классической электродинамики к планетарной модели атома привело к полному противоречию с экспериментальными фактами. Преодоление возникших трудностей потребовало создания качественно новой – квантовой теории атома. Однако, несмотря на свою несостоятельность, планетарная модель и сейчас принята в качестве приближенной и упрощенной картины атома. Теория Бора для атома водорода. Постулаты Бора Датский физик Нильс Бор (1885–1962) в 1913 г. создал первую квантовую теорию атома, связав в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил три постулата, по поводу которых американский физик Л. Купер заметил: «Конечно, было несколько самонадеянно выдвигать предложения, противоречащие электродинамике Максвелла и механике Ньютона, но Бор был молод». Первый постулат (постулат стационарных состояний): в атоме электроны могут двигаться только по определенным, так называемым разрешенным, или стационарным, круговым орбитам, на которых они, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитных волн (поэтому эти орбиты названы стационарными). Электрон на каждой стационарной орбите обладает определенной энергией En . Второй постулат (правило частот): атом излучает или поглощает квант электромагнитной энергии при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую: hv=E1–E2 где E1 и E2 – энергия электрона соответственно до и после перехода. При E1>E2 происходит излучение кванта (переход атома из одного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, то есть переход электрона с любой дальней на любую ближнюю от ядра орбиту); при E1Т2 и отвод тепла от теплоотдатчика и подвод тепла к теплоприемнику не влияют на их температуры, T1 и T2 остаются постоянными. Обозначим параметры газа при левом крайнем положении поршня теплового двигателя: давление – Р1 объем – V1, температура Т1. Это точка 1 на графике на осях P−V. В этот момент газ (рабочее тело) взаимодействует с теплоотдатчиком, температура которого также Т1. При движении поршня вправо давление газа в цилиндре уменьшается, а объем увеличивается. Это будет продолжаться до прихода поршня в положение, определяемые точкой 2, где параметры рабочего тела (газа) примут значения P2,V2,T2. Температура в этой точке остается неизменной, так как температура газа и теплоотдатчика одинакова в процессе перехода поршня от точки 1 к точке 2 (расширение). Такой процесс, при котором Т не изменяется, называется изотермическим, а кривая 1–2 называется изотермой. В этом процессе от теплоотдатчика к рабочему телу переходит теплота Q1 . В точке 2 цилиндр полностью изолируется от внешней среды (теплообмена нет) и при дальнейшем движении поршня вправо уменьшение давления и увеличение объема происходит по кривой 2–3, которая называется адиабатой (процесс без теплообмена с внешней средой). Когда поршень переместится в крайнее правое положение (точка 3), процесс расширения закончится и параметры будут иметь значения Р3, V3, а температура станет равной температуре теплоприемника Т2 . При этом положении поршня изоляция рабочего тела снижается и оно взаимодействует с теплоприемником. Если теперь увеличивать давление на поршень, то он будет перемещаться влево при неизменной температуре Т2 (сжатие). Значит, этот процесс сжатия будет изотермическим. В этом процессе теплота Q2 перейдет от рабочего тела к тепло-приемнику. Поршень, двигаясь влево, придет в точку 4 с параметрами P4,V4 и T2, где рабочее тело вновь изолируется от внешней среды. Дальнейшее сжатие происходит по адиабате 4–1 с повышением температуры. В точке 1 сжатие заканчивается при параметрах рабочего тела P1,V1,T1 . Поршень возвратился в исходное состояние. В точке 1 изоляция рабочего тела от внешней среды снимается и цикл повторяется. Таким образом, цикл Карно можно считать обратимым. Хотя при этом не учитывались различные сопутствующие потери (тепла в окружающую среду, на трение и некоторые другие условия идеализации). Коэффициент полезного действия идеального двигателя Карно: Анализ выражения для КПД цикла Карно позволяет сделать следующие выводы: 1. КПД тем больше, чем больше Т1 и чем меньше Т2  ;  КПД всегда меньше единицы;  КПД равен нулю при Т1=Т2 3. . Цикл Карно дает наилучшие использования теплоты, но, как указывалось выше, он является идеализированным и в реальных условиях неосуществим. Однако значение его велико. Он позволяет определить наивысшее значение КПД теплового двигателя. Второе начало термодинамики. Энтропия Второе начало термодинамики связано с именами Н. Карно, В. Томсона (Кельвина), Р. Клаузиуса, Л. Больцмана, В. Нернста. Второе начало термодинамики вводит в рассмотрение новую функцию состояния – энтропию. Термин «энтропия», предложенный Р. Клаузиусом, образован от греч. entropia и означает «превращение». Уместно будет привести понятие «энтропия» в формулировке А. Зоммерфельда: «Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией. Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия; вычисляются все проводимые при этом к системе порции тепла dQ , делятся каждая на соответствующую ей абсолютную температуру Т , и все полученные таким образом значения суммируются (первая часть второго начала термодинамики). При реальных (неидеальных) процессах энтропия изолированной системы возрастает (вторая часть второго начала термодинамики)». Учета и сохранения количества энергии еще недостаточно для того, чтобы судить о возможности того или иного процесса. Энергию следует характеризовать не только количеством, но и качеством. При этом существенно, что энергия определенного качества самопроизвольно может превращаться только в энергию более низкого качества. Величиной, определяющей качество энергии, и является энтропия. Процессы в живой и неживой материи в целом протекают так, что энтропия в замкнутых изолированных системах возрастает, а качество энергии понижается. В этом и есть смысл второго начала термодинамики. Второе начало термодинамики является статистическим законом, оно описывает закономерности хаотического движения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему, то есть энтропия характеризует меру беспорядочности, хаотичности частиц в системе. Р. Клаузиус определил второе начало термодинамики так: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (1850). В связи с этой формулировкой в середине XIX в. была определена проблема так называемой тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему, Р. Клаузиус, опираясь на второе начало термодинамики, утверждал, что рано или поздно энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Переход теплоты от более нагретых тел к менее нагретым приведет к тому, что температура всех тел Вселенной будет одинаковой, наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти Вселенной заключается в том, что нельзя применять второе начало термодинамики к системе, которая является не замкнутой, а бесконечно развивающей системой. Вселенная расширяется, галактики разбегаются со скоростями, которые нарастают. Вселенная нестационарна. В основу формулировок второго начала термодинамики положены постулаты, являющиеся результатом многовекового человеческого опыта. Кроме указанного постулата Клаузиуса наибольшую известность получил постулат Томсона (Кельвина), который говорит о невозможности построения вечного теплового двигателя второго рода (perpetuum mobile), то есть двигателя, полностью превращающего теплоту в работу. Согласно этому постулату, из всей теплоты, полученной от источника тепла с высокой температурой – теплоотдатчика, только часть может быть превращена в работу. Остальная часть должна быть отведена в теплоприемник с относительно низкой температурой, то есть для работы теплового двигателя необходимы по крайней мере два тепловых источника различной температуры. Этим и объясняется причина, по которой нельзя перевести в работу теплоту окружающей нас атмосферы или теплоту морей и океанов при отсутствии таких же масштабных источников теплоты с более низкой температурой. Естественнонаучные знания о веществе • Химия как наука • Химический элемент. Строение атома • Химическое соединение, химическая связь • Химическая реакция, ее скорость, кинетика и катализ, биокатализаторы • Взаимосвязь химического строения и структуры неорганических и органических соединений • Эволюционная химия – отбор химических элементов во Вселенной • Проверка знаний: Естественнонаучные знания о веществе Химия как наука Согласно общепринятому определению, Химия – это наука о веществах и их превращениях, или, как вариант, наука о химических элементах и их соединениях. В этих определениях подразумевается структурный уровень изучения вещества и, так сказать, «разделение полномочий» между физикой и химией. Физика изучает строение атома и мир элементарных частиц (атомный и нуклонный уровень микромира), с одной стороны, и проявление физических свойств веществ, пребывающих в разных агрегатных состояниях, – с другой (классические механика и электродинамика, теплофизика как изучение явлений макромира). Химия же рассматривает процессы «сборки» молекул из атомов, традиционно называемые «химическими реакциями», а также проявление химических свойств веществ, то есть способность веществ вступать в химические реакции определенного вида. Таким образом, структурный уровень вещества, изучаемый в химии, оказывается помещенным между двумя «физическими» уровнями структуры вещества, а «химические» явления происходят на границе микромира и макромира. Химия – полноправный представитель семейства точных естественных наук, то есть химическое научное знание сформировано из теорий, законов и закономерностей, формулировки которых исключают множественное толкование и которые многократно подтверждены и проверены на практике. И, как для любой естественной науки, для химии имеют большое значение проверяемость, достоверность и воспроизводимость результатов, доказательность знания, соответствие научных теорий и наблюдаемых фактов. Химия – рациональная наука, даже гипотезы в химии имеют чисто рациональный характер. Современная химия счастливо избежала того «налета» иррациональности, который присутствует в физике, биологии, астрономии, особенно когда обсуждаются вопросы происхождения Вселенной, вещества и жизни. Традиционно также слаба связь химии и философии (в течение последних 250–300 лет после исключения алхимических представлений из химии). И в дискуссиях между ортодоксальными «материалистами» и «идеалистами» химики всегда остаются в стороне, а оппоненты прибегают к разным аспектам химического знания для доказательства своих, порой противоположных по сущности, доводов. И хотя современная химия имеет очень мало общего с алхимией средних веков, а алхимические тексты интересны для нас, ученых XXI столетия, с литературно-исторической, но никак не научной точки зрения, забавно, что свое название «химия» получила именно от алхимии. Название же «алхимия» исходит, предположительно, от слова «Кеми»; страна Кеми (или Кемь) – одно из старинных названий современного Египта, откуда, согласно средневековым легендам, были родом первые алхимики. Химия развивалась и развивается традиционно в двух направлениях – как фундаментальная наука (создание и изучение теоретических основ химического знания) и как наука прикладная (решение практических задач применения различных химических соединений). И если в XVIII–XIX вв. второе направление развивалось более интенсивно, обслуживая промышленную революцию, а теоретическое направление вынуждено было «догонять» в попытке объяснить и систематизировать быстро растущий объем химических знаний, то все изменилось на рубеже XIX–XX вв. и особенно в начале XX в. Великие открытия в физике микромира, приведшие к смене парадигмы естествознания, предопределили развитие теоретической неорганической и органической химии в свете квантовых представлений. Таким образом был усовершенствован механизм объяснения химического строения и структуры вещества, и в дальнейшем оба направления химической науки развивались уже в тесном взаимодействии, решая основную проблему современной химии – получение (синтез) вещества с заданными свойствами. Важным этапом решения этой задачи является решение проблемы управления свойствами вещества. Химия как наука не только о химическом составе и структуре вещества, но и о химических процессах, развивается в рамках парадигмы современного естествознания – квантово-релятивистской механики. В частности, существует фундаментальная химическая наука – квантово-органическая химия, которая изучает механизмы органических реакций с позиции квантовых представлений. Однако наряду с квантовой химией сосуществует и классическая химия, например химия анализа состава вещества и химия промышленного синтеза известных продуктов, где для выполнения рутинных процедур не обязательно прибегать к квантовым представлениям. Химический элемент. Строение атома Объект изучения химической науки, лежащий в основе всех теоретических представлений о составе и структуре вещества, некое простое начало, из которого собираются сложные системы, так сказать, элемент, – это атом в его современном определении. Атом – электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц. Составные части атома – ядро и электроны. Электрон – истинная элементарная частица, заряженная отрицательно. Ядро состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Оба типа частиц имеют общее название «нуклоны» и относятся к классу адронов и, как и другие андроны, в свою очередь сами состоят из элементарных частиц – кварков; поэтому протон и нейтрон в строгом смысле элементарными частицами не являются. Протоны и нейтроны характеризуются одинаковой массой, равной 1,67⋅10−24г , называемой «атомной единицей массы» (сокращенно – а. е. м.); электрон же намного легче нуклонов, его масса равна 0,00055 а. е. м. Из этих данных понятно, что наибольший вклад в массу атома вносят именно нуклоны. Достаточно большое разнообразие элементов (и их изотопов) обеспечивается наличием частиц всего трех типов, которые принимают участие в создании атомов. Химический элемент – это определенный вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра. Установлено, что численно заряд электрона (−1,6⋅10−19 Кл) и протона (1,6⋅10−19 Кл) равны и имеют название «условный единичный заряд»; для соблюдения правила электронейтральности атомов необходимо, чтобы сумма условных единичных зарядов была равна нулю, то есть чтобы количества протонов и электронов в атоме были одинаковы. А вот количество нейтронов в ядре атома, которое не влияет на суммарный заряд атома, может варьировать. Атомы одного и того же элемента, имеющие в ядре разное количество нейтронов и, соответственно, разную массу, называются изотопами. Каждый элемент имеет свое название и краткое стандартное обозначение из одной или двух букв латинского алфавита (например, С – от лат. carbon – для углерода, Н – от лат. hydrogen – для водорода, Fe – отлат. ferrum – для железа). Из этих знаков складывается своеобразный язык химии – химические формулы, которые зашифровывают строение вещества; химические реакции тоже пишутся с использованием химических формул. Специальные международные конгрессы ИЮПАК (International Union of Pure and Applied Chemistry) неоднократно собирались в течение всего XX в. для того, чтобы привести к единому международному стандарту химические формулы и термины. Поэтому химикам разных стран не обязательно изучать иностранные языки, они хорошо понимают друг друга с помощью интернационального языка химиков. В настоящее время известно 110 элементов. Некоторые элементы известны с древних времен (не в чистом виде, с возможными примесями, – например, железо, а также любимые алхимиками ртуть, сера), еще до того, как в XVII в. известный английский ученый Роберт Бойль дал первое научное определение понятия «химический элемент». Согласно его определению, Элемент – это простое тело, предел химического разложения вещества, переходящее без изменения из состава одного сложного тела в состав другого. Примерно за 200 последующих лет, к моменту открытия Д. И. Менделеевым его знаменитой Периодической системы элементов, ученые владели знаниями о 63 элементах. Сравнительный анализ показывал, что многие элементы обладают похожими физическими и химическими свойствами и их можно объединять в группы, создавая тем самым классификацию химических элементов. Необходимость в подобной классификации как в удобном и эффективном методе познания свойств вещества, а главное, предсказания свойств известных к тому времени и еще не открытых элементов, стала настоятельной к середине XIX в. Открытие в 1869 г. великим русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым Периодического закона и разработка Периодической системы химических элементов, в которой сумма знаний об элементах была приведена в стройный порядок, полностью решили эту задачу. Менделеев считал, что основой классификации химических элементов являются их атомные веса. Периодический закон в его интерпретации был сформулирован следующим образом: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». Менделеев не только классифицировал в своей системе известные к тому времени элементы, но и предсказал открытие новых элементов, для которых он зарезервировал определенные места в своей Периодической таблице, причем не только предсказал открытие, но и описал физические и химические свойства этих элементов. Все предсказанные Менделеевым элементы были впоследствии открыты разными учеными разных стран в XIX и ХХ вв. Среди них полоний и радий, открытые Пьером и Марией Кюри, радон, открытый Эрнстом Резерфордом, и др. Все пустые места в таблице Менделеева были заполнены, и сейчас таблица наращивается, продолжая заполняться новыми трансурановыми элементами, которые образуются в результате ядерного синтеза в искусственных условиях циклотронов, то есть ускорителей элементарных частиц. Периодический закон и система Менделеева представляли собой гениальное эмпирическое обобщение фактов, а их физический смысл долгое время оставался непонятным. Происходило это потому, что ученые того времени не имели представления о сложной структуре атома. Открытие протона, нейтрона, электрона и других элементарных частиц, открытие деления ядра атома, разработка квантовой модели атома Бора-Резерфорда и квантовой физики в целом – все это научные реалии ХХ в. На базе современных фундаментальных физических представлений периодический закон был сформулирован несколько иначе: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома». В заключение следует сказать об изотопах элементов. Как правило, изотопы различных элементов не имеют собственных названий, а повторяют название элемента; при этом атомная масса данного изотопа – его единственное отличие от других изотопов этого же элемента – отражается с помощью верхнего индекса в химической формуле элемента: например, для изотопов урана – U235 и U238. Единственным исключением из правил номенклатуры изотопов является элемент № 1 – водород. Все три известных на настоящий момент изотопа водорода имеют не только собственные специальные химические символы, но и собственное название: Н1 – протий, D2 – дейтерий, Т3 – тритий; при этом ядро протия – это просто один протон, ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро трития – один протон и два нейтрона. С названиями изотопов водорода так исторически сложилось потому, что относительное различие масс изотопов водорода, вызванное добавлением одного нейтрона, является максимальным среди всех химических элементов. Все изотопы можно подразделить на стабильные (устойчивые), то есть не подверженные самопроизвольному распаду ядер атомов на части (распад в таком случае называется радиоактивным), и нестабильные (неустойчивые) – радиоактивные, то есть подверженные радиоактивному распаду. Большинство широко распространенных в природе элементов состоит из смеси двух или большего числа стабильных изотопов: например, О16 , С12. Из всех элементов наибольшее число стабильных изотопов имеет олово (10 изотопов), а, например, алюминий существует в природе в виде только одного стабильного изотопа – остальные его известные изотопы неустойчивы. Ядра нестабильных изотопов самопроизвольно распадаются, выделяя при этом α-частицы (дважды ионизованные атомы гелия, то есть два протона и два нейтрона) и β-частицы (электроны) до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп другого элемента: например, распад U238 (радиоактивного урана) завершается образованием Pb206 (стабильного изотопа свинца). При изучении изотопов установлено, что они не различаются по химическим свойствам, которые, как нам известно, определяются зарядом их ядер и не зависят от массы ядер. Химическое соединение, химическая связь Многообразие объектов, изучаемых в рамках химии, вовсе не исчерпывается только элементами и изотопами. Химические элементы объединяются в более сложные системы, называемые химическими соединениями. На уровне микромира это описывается как образование из атомов более сложных (составных) частиц – молекул. Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством так называемых химических связей. Химическая связь представляет собой одно из фундаментальных физических взаимодействий – электромагнитное. Возможность вступить в химическую связь атомы получают за счет потери своей электронейтральности в результате отрыва одного или нескольких электронов (положительный заряд) или присоединения одного или нескольких электронов (отрицательный заряд). Далее противоположно заряженные частицы – ионы – притягиваются к другу, нейтрализуя свои заряды и образуя в итоге молекулу химического соединения, обладающую свойством электро-нейтральности. В данном примере рассмотрена так называемая ионная химическая связь, характеризующаяся наивысшей энергией связи, возможной среди всех ее типов. Другие известные типы химической связи – ковалентная, донорно-акцепторная и др. – также связаны с электромагнитными взаимодействиями; только в этих случаях происходит не отрыв электронов от атома, а их некоторое смещение от нейтрального положения, в результате чего также образуется некий заряд. Процесс образования молекул из атомов называется химической реакцией. Периодическая система элементов определяет для каждого элемента: • тип и заряд заряженной частицы (иона); • типы химических соединений, в которые могут вступать атомы данного элемента, то есть, по сути, химические формулы молекул; • типы химических связей, которые могут реализоваться в таких молекулах; • типы химических реакций, в которые может вступать данный элемент. Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, в этом случае такие вещества называются простыми. Многочисленные примеры – существование чистых металлов (особенно химически инертных драгоценных металлов – золота, платины), инертных газов – неона, радона и др. У некоторых простых веществ молекулы состоят из двух и более одинаковых атомов – это так называемые двухатомные газы, например кислород О2 , галогены – газы фтор F2 и хлор Cl2, жидкость бром Br2, твердое вещество йод J2. Молекула известного газа озона содержит три атома кислорода по формуле О3, а молекула белого фосфора – четыре атома фосфора Р4 . Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называются сложными веществами, или химическими соединениями, например: соединения разных элементов с кислородом называются оксидами, с фтором – фторидами, с хлором – хлоридами. Все химические соединения объединены в классы, и названия соединений разных классов определяется согласно международным стандартам номенклатуры химических соединений ИЮПАК. Традиционно химические соединения подразделяют на неорганические – соединения всех элементов Периодической системы, и органические – соединения углерода и некоторых других элементов, в которых атомы углерода соединены между собой в цепи (соответственно оформились фундаментальные направления химической науки – неорганическая и органическая химия). Всего химических соединений на настоящий момент известно несколько миллионов, и их количество постоянно растет за счет синтеза новых органических соединений. В настоящее время известно 110 элементов, а число образуемых ими простых веществ – около 400. Такое различие объясняется способностью некоторых элементов существовать в виде различных простых веществ, отличающихся как по химическим, так и по физическим свойствам. Это явление получило название аллотропии, а сами различные вещества – аллотропными модификациями. Свойством образовывать аллотропные модификации обладают как простые вещества, например рассмотренные выше соединения двухатомный кислород и трехатомный озон (не менее известный пример – аллотропия углерода С : уголь, алмаз, графит, шунгит – химическая формула всех перечисленных соединений одна и та же), так и сложные соединения, например многочисленные аллотропные формы оксида кремния (речной песок, минерал кварц и др.) и оксида алюминия (глинозем и корунд). Химическая реакция, ее скорость, кинетика и катализ, биокатализаторы Для установления состава химических соединений очень важен закон постоянства их состава. Положения этого закона позволили химикам отделять настоящие химические соединения от простых смесей. Впервые в истории химии этот закон был сформулирован французским химиком Ж. Прустом в начале XIX в.: Любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, прочным притяжением составных частей и тем самым отличается от смесей. Теоретически закон постоянства состава обосновал английский естествоиспытатель Д. Дальтон в своем знаменитом законе кратных отношений: соединения состоят из атомов двух или нескольких соединений, образующих определенные сочетания друг с другом. В его честь все химические соединения постоянного состава (а их подавляющее большинство среди веществ) называют дальтонидами. Закон постоянства состава вещества использовал и Д. И. Менделеев при разработке своей периодической системы – постоянство состава соединений, которые может образовывать данный элемент, следует из его положения в периодической таблице Менделеева. Представление о составе вещества – одно из концептуальных понятий для химии как естественной науки. Постоянство состава химических соединений обусловлено физической природой химических связей, объединяющих атомы в одну квантово-механическую систему – молекулу. Необходимость выработки строгих научных принципов относительно состава вещества позволила химикам успешно развить строгое научное понятие химической реакции как процесса образования новых химических соединений. В химической реакции участвуют исходные вещества, которые реагируют друг с другом и с течением времени превращаются в новые вещества, называемые продуктами реакции. Из закона постоянства состава вещества следует постоянство не только состава молекул продуктов реакции, но и постоянство количественных соотношений (массовых долей) исходных веществ. Стехиометрия – раздел химии, в котором рассматриваются массовые или объемные отношения между реагирующими веществами. Законы стехиометрии так же непреложны, как и любые другие естественнонаучные законы; кроме того, их знание очень полезно для прикладной химии, потому что позволяет количественно рассчитать выход химической реакции и необходимое количество исходных веществ. Процесс получения новых химических соединений с учетом стехиометрических соотношений обычно записывается в виде уравнения химической реакции, например: 6HCL+2HNO3=3CL2+2NO+4H2O где • химические формулы слева от знака равенства обозначают исходные вещества; • химические формулы справа от знака равенства обозначают продукты реакции; • цифры перед формулами химических соединений являются так называемыми стехиометрическими коэффициентами; они раскрывают массовые (или объемные) соотношения веществ. В уравнении химической реакции нашел свое отражение еще один фундаментальный закон естествознания – закон сохранения вещества, открытый нашим соотечественником М. В. Ломоносовым и независимо от него – французом А. Л. Лавуазье. Именно в соответствии с этим законом и получается математическое выражение – уравнение: масса данного элемента слева от знака равенства должна быть равна массе этого же элемента справа от знака равенства, а стехиометрические коэффициенты уравнивают (не только математический, но и химический термин!) данную реакцию. Проникновение математических понятий, выражений, терминов (уравнения, коэффициенты) в химию, смешение терминологий означает, что на важном историческом этапе формирования химии как науки (XVIII–XIX вв.) она развивалась в соответствии с научной парадигмой того времени – классической механикой. Применительно к химии эта парадигма могла бы быть выражена следующим образом: любой закон природы можно представить в виде математического соотношения, записываемого с участием химических формул. Еще один интересный случай проникновения классического ньютоновского подхода в химию – понятие о скорости химической реакции. Пытаясь получить новые химические соединения, ученые-химики разных эпох неоднократно отмечали тот факт, что некоторые вещества реагируют друг с другом мгновенно, часто со взрывом, а другие – медленно, в течение нескольких часов (суток). Скорости многих химических процессов были установлены эмпирическим путем. И для вычисления скорости химических реакций было использовано ньютоновское представление о времени как о не зависящей от свойств вещества и пространства простой длительности. Процесс химической реакции можно рассматривать как процесс изменения концентраций начальных и конечных продуктов реакции, и, согласно классической механике, для любого процесса изменения (движения) во времени всегда можно рассчитать скорость этого изменения. Современные квантовые представления о химических процессах рассматривают химическую реакцию как перераспределение электронов между статистически вероятными энергетическими уровнями участвующих молекул, создание межмолекулярных промежуточных реакционных комплексов и получение новых продуктов как энергетически выгодных состояний молекул. В рамках этих представлений классическая скорость реакций не имеет смысла, так как каждое новое энергетическое состояние рассматривается в рамках пространственно-временного континуума и перебор энергетических состояний продолжается до достижения наиболее энергетически выгодного. Тем не менее классические представления о химических процессах активно используются в современной химии, особенно в прикладных областях химии и в химических науках, лежащих «на стыке» с биологией, – биохимии, молекулярной биологии и др. Закономерным этапом применения знаний об условиях протекания химических процессов стало развитие науки о том, как можно оказывать на них влияние и ими управлять. Такая наука получила название химической кинетики, в котором также нашла отражение классическая парадигма, ведь кинетика – это наука о движении. Но в классической кинетике скорость – векторная величина, то есть имеет направление. Точно так же и в химической кинетике имеет значение направление химической реакции – различают реакцию прямую, то есть такую, в результате которой из исходных веществ получаются продукты реакции, и реакцию обратную, при которой происходит разложение продуктов с получением исходных веществ. Так в химическую кинетику было введено понятие о химическом равновесии – состоянии, когда скорости прямой и обратной реакции равны между собой. В рамках химической кинетики было сделано немало полезных открытий, которые показывают, как можно увеличивать скорость химических процессов за счет подбора условий – повышения температуры реакции, давления (если реакция протекает в газовой фазе), как можно сдвинуть химическое равновесие в сторону получения полезных продуктов реакции, не содержащих остатков непрореагировавших исходных продуктов, и т. д. Эпохальным стало открытие веществ, которые при добавлении к реакционной смеси способны увеличить скорость реакции, при этом оставаясь неизменными (не меняя своего состава). Эти вещества получили название катализаторов, то есть ускорителей, а их применение – катализ. Сейчас сложно даже перечислить все химические промышленные процессы, где применяются катализаторы, – столь велико их число, особенно в органической химии. Известные примеры промышленного катализа – каталитический крекинг нефтепродуктов с получением углеводородов, применяемых в качества топлива (бензины, дизельное топлива и т. д.), получение твердого заменителя сливочного масла – маргарина – из жидких растительных масел и т. д. Интересно, что наряду с огромным количеством реализованных учеными ускоряемых искусственными катализаторами химических процессов существуют природные катализаторы и природные каталитические процессы. Пример природного катализа – процесс коррозии металлического железа, «ржавение», то есть его окисление в природе с образованием оксидов – ржавчины, происходит под действием катализатора воды. В связи с этим интересен факт применения веществ, замедляющих некоторые нежелательные химические процессы, например тот же процесс коррозии металлического железа. Эти вещества называются ингибиторы, то есть замедлители. Легирующие добавки к сталям для защиты их от коррозии (получение нержавеющих сталей) – вот пример применения ингибиторов в промышленности. Как и катализаторы, ингибиторы бывают природного происхождения, например ингибиторы гниения – натуральные консерванты, которые продуцируются некоторыми растениями.Х Катализаторы и ингибиторы играют большую роль в биологических процессах. Известные всем ферменты – биокатализаторы, то есть вещества, которые ускоряют биохимические процессы внутри организмов живых существ, причем живые существа самостоятельно синтезируют эти ферменты в различных органах и тканях. Ферменты управляют всеми процессами метаболизма у всех растений и животных, причем чем выше уровень организма, тем большее количество ферментов используется в нем. На настоящий момент неизвестно даже приблизительно общее количество ферментов человеческого организма, оценочное число – несколько тысяч. Интересны факты использования жизненно важных ферментов, которые не может синтезировать человеческий организм, и поэтому исходные вещества для внутреннего синтеза ферментов – так называемые коферменты – он, как гетеротрофный организм, получает извне от растений и животных. Это всем известные витамины, «вещества жизни», необходимые человеку на протяжении всего его жизненного цикла. Внутри человеческого организма они трансформируются в ферменты. Согласно представлениям современной эволюционной химии, роль природных катализаторов очень важна в процессах эволюции неживой и живой материи. Взаимосвязь химического строения и структуры неорганических и органических соединений Для описания химического соединения часто бывает важным знание не только его состава, то есть записи его химической формулы, но и так называемой структуры. Говоря о структуре вещества, химики всегда имеют в виду его молекулярное строение. Под термином «структура» подразумевается расположение в пространстве атомов при образовании молекулы вещества. Для понимания этого концептуального для химии понятия важно рассмотреть молекулы с квантовых позиций. Согласно современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Суть дела в том, что электроны, реализуя статистический набор состояний вблизи собственного атомного ядра при образовании химической связи, вступают во взаимодействие с электронами и ядрами других атомов и некоторые до этого статистически доступные «места» в пространстве занять не могут. Особенности фундаментального электромагнитного взаимодействия нескольких заряженных объектов микромира приводят к тому, что атомы в молекулах оказываются «локализованы» в строго определенных «местах», положение в пространстве которых можно рассчитать с помощью математического аппарата квантовой химии. В современной химии разработана система наглядного изображения пространственных структур молекул, которая очень полезна как в процессе познания природы химических соединений, особенно в органической химии, так и для решения практических задач химического синтеза этих соединений. Начало изучению структуры органических соединений было положено в теории строения органических соединений, разработанной великим русским химиком А. М. Бутлеровым (1860 г.). Изучением пространственных структур химических соединений занимается современная наука стереохимия, являющаяся подразделом органической химии. С понятием «пространственная структура органических соединений» неразрывно связано одно из интереснейших явлений природы нашей планеты, аналогичное явлениям радиоактивной изотопии элементов и аллотропии простых и сложных неорганических веществ. Как и в упомянутых случаях, одной химической формуле органического соединения, то есть одному составу вещества, соответствуют разные соединения с разными физическими или химическими свойствами, и основное различие между ними заключено в разной пространственной структуре молекул этих соединений. Это явление называется изомерией органических соединений. Изомеры органических соединений, несмотря на то что имеют одинаковые химические формулы, называются по-разному, и их названия также соответствуют строгой номенклатуре химических соединений. В стереохимии рассматривается изомерия разных видов – изомерия предельных углеводородов, цистранс-изомерия непредельных углеводородов, таутомерия кислородсодержащих органических соединений (кетонов и альдегидов), оптическая изомерия и диастереомерия сложных органических соединений. А что же неорганические соединения? Есть ли в этом классе химических соединений проблемы, связанные с пространственной структурой молекул? Да, есть. Неорганические соединения (не все) в твердом состоянии способны образовывать надмолекулярные комплексы повторяющегося состава и сложной объемной пространственной структуры. Они называются кристаллами. А структура кристаллов, характеризующаяся высокой степенью упорядоченности, называется кристаллической структурой, или кристаллической решеткой. Эволюционная химия – отбор химических элементов во Вселенной В XX в. в свете общих эволюционных представлений в естествознании развивается новая наука – эволюционная химия, наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. В рамках эволюционной химии изучаются процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Начало этой науки было положено при разработке теории биохимической эволюции, объясняющей происхождение жизни на Земле в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Первой стадией биохимической эволюции считается химическая эволюция, или абиогенез, которая, согласно этой теории, протекала в три этапа. Первый этап – синтез низкомолекулярных органических соединений из газов первичной атмосферы; второй этап – полимеризации мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот; третий этап – образование фазово-обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами. В процессе развития нашей планеты происходил отбор химических элементов в биотических и абиотических системах. Основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их общая весовая доля в организме составляет более 97 %. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6 %. Есть еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных специфических биосистем, доля которых составляет 1 %. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. И в абиотической среде есть свидетельства об отборе элементов. Более 99 % всех природных соединений содержат те же 17 элементов, на долю всех остальных приходится менее 1 % соединений. Если говорить о химической картине мира в целом, учитывая как природные, так и синтетические продукты, то оказывается, что в настоящее время известно около 8 млн химических соединений. Из них 96 % – органические соединения, а на долю неорганических соединений (4 %) приходится всего около 300 тыс. простых и сложных веществ. Большую часть вещества во Вселенной составляют водород и гелий. Более тяжелые элементы существуют во Вселенной в очень малых количествах: например, наша звезда – Солнце – содержит не более 2 % тяжелых элементов. Подводя итоги данного раздела, посвященного концептуальным основам современной химии, мы можем выделить в развитии химии как естественной науки четыре концептуальных этапа, причем каждый новый возникал на основе предыдущего и включал его в себя в преобразованном виде. 1. Учение о составе вещества связано с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, понятием химического элемента и химического соединения. 2. Структурная химия – положение о том, что свойства веществ обусловливаются не только составом, но и структурой молекул. 3. Учение о химических процессах связано с исследованием механизмов и условий протекания химических процессов, с понятием о катализе. 4. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации химических систем с позиций представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов. Мегамир и его свойства • Общие представления о Вселенной • Теория инфляции • Галактики • Звезды • Солнечная система • Теории происхождения Солнечной системы • Планеты Солнечной системы • Проверка знаний: Мегамир и его свойства Общие представления о Вселенной Космос (от греч. hosmos – мир) – термин, идущий из древнегреческой философии для обозначения мира как структурно организованного и упорядоченного целого. Космосом греки называли Мир упорядоченный, прекрасный в своей гармонии в отличие от Хаоса – первозданной сумятицы. Сейчас подкосмосом понимают все находящееся за пределами атмосферы Земли. Иначе космос называют Вселенной (место вселения человека). Вселенная – окружающий нас мир, бесконечный в пространстве, во времени и по многообразию форм заполняющего его вещества и его превращений. Вселенную в целом изучает астрономия. Астрономия (от греч. astron – звезда, nomos – наука) – наука о движении, строении, возникновении, развитии небесных тел, их систем и Вселенной в целом. Основной методполучения астрономических знаний – наблюдение, поскольку, за редким исключением, эксперимент при изучении Вселенной невозможен. Современная астрономия включает в себя несколько более узких научных дисциплин – астрофизику, астрохимию, радиоастрономию и др. Интенсивно развивается космология – раздел астрономии, тесно связанный с физикой. Космология (от греч. hosmos – мир и logos – учение) – область науки, в которой изучаются Вселенная как единое целое и космические системы как ее части. Учитывая древнегреческое значение термина «космос» – «порядок», «гармония», – важно отметить, что космология открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого. Космология близко соприкасается с космогонией (от греч. hosmos – мир, gonos – рождение), разделом астрономии, изучающим происхождение космических объектов и систем. Вместе с тем подход космологии и космогонии к изучаемым явлениям различен – космология изучает закономерности всей Вселенной, а космогония рассматривает конкретные космические тела и системы. Мир един, гармоничен и одновременно имеет многоуровневую организацию. Вселенная – это мегамир. Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро– и мегамиры. При несомненном качественном отличии они взаимосвязаны. Так, наша Земля представляет макромир, но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира. Вселенная представляет собой упорядоченную систему отдельных взаимосвязанных элементов различного порядка. Это небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звездные скопления, галактики. Звезды – гигантские раскаленные самосветящиеся небесные тела. Планеты – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг звезды. Спутники (планет) – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг планет. Например: Солнце – это звезда, Земля – это планета, Луна – это спутник Земли. Небесные тела, находящиеся в зоне существенного действия силы тяготения звезды, образуют ее планетную систему. Так, Солнечная система (или планетная система) – совокупность небесных тел – планет, их спутников, астероидов, комет, обращающихся вокруг Солнца под действием силы его тяготения. В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свыше 100 тысяч астероидов, множество комет. Астероиды (или малые планеты) – небольшие холодные небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют диаметр от 800 км до 1 км и менее, обращаются вокруг Солнца по тем же законам, по которым движутся и большие планеты. Кометы – небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют вид туманных пятнышек с ярким сгустком в центре – ядром. Ядра комет имеют маленькие размеры – несколько километров. У ярких комет при приближении к Солнцу появляется хвост в виде светящейся полосы, длина которого может достигать десятков миллионов километров. Звезды вместе с их планетными системами и межзвездной средой образуют галактики. Галактика – гигантская звездная система, насчитывающая более 100 млрд звезд, обращающихся вокруг ее центра. Внутри галактики отмечают звездные скопления. Звездные скопления – группы звезд, разделенные между собой меньшим расстоянием, чем обычные межзвездные расстояния. Звезды в такой группе связаны общим движением в пространстве и имеют общее происхождение. Галактики образуют метагалактику. Метагалактика – грандиозная совокупность отдельных галактик и скоплений галактик. В современной трактовке понятия «метагалактика» и «Вселенная» чаще отождествляют. Но иногда метагалактика толкуется лишь как видимая часть Вселенной, при этом Вселенная сводится к бесконечности. Однако если принять, что за пределами метагалактики существует космический вакуум, то такую форму материи трудно отнести к Вселенной, потому что там нет устойчивых элементарных частиц и атомов, нет звезд, нет галактик. Поэтому для бесконечного мира более подходит философское понятие материального мира, частью которого является Вселенная или метагалактика. При изучении объектов Вселенной имеют дело со сверхбольшими расстояниями. Для удобства при измерении таких сверхбольших расстояний в космологии используют специальные единицы: • Астрономическая единица (а. е.) соответствует расстоянию от Земли до Солнца – 150 млн км. Эта единица, как правило, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы. Например, расстояние от Солнца до самой удаленной от него планеты – Плутона – 40 а. е. • Световой год – расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, проходит за один год, – 1013 км; 1 а.е. равна 8,3 световой минуты. В световых годах определяют расстояние до звезд и других космических объектов, находящихся за пределами Солнечной системы. • Парсек (пк) – расстояние, равное 3,3 светового года. Используют для измерения расстояний внутри звездных систем и между ними. При определении расстояний до других галактик используют еще более крупные единицы – килопарсек (Кпк) – 103 пк, мегапарсек (Мпк) – 106 пк. Все сведения, накопленные человечеством о Вселенной, – результат наблюдений. Первые астрономические знания были получены еще мыслителями древнего мира. Астрономы стран Древнего Востока – Египта, Вавилонии, Индии, Китая – научились предсказывать наступления затмений, следили за движением планет. Эти астрономические знания, накопленные еще в VII–VI вв. до н. э., заимствовали древние греки. В VI в. до н. э. великий ученый и философ Древней Греции Аристотель фактически выдвинул идею геоцентрического (от греч. geo – земля) строения Вселенной. Аристотель считал, что Земля и все небесные тела шарообразны. Шарообразность Луны он доказал, изучая ее фазы, а шарообразность Земли объяснил характером лунных затмений. На диске Луны край земной тени всегда круглый, а это может быть только при условии шарообразности Земли. Аристотель считал Землю центром Вселенной, крупнейшим ее телом, вокруг которого вращаются все небесные тела. Вселенная, по мнению Аристотеля, имеет конечные размеры, ее как бы замыкает сфера звезд. Таким образом, по Аристотелю, Земля – неподвижный центр Вселенной. После Аристотеля некоторые ученые высказывали смелые и правильные догадки об устройстве Вселенной. Так, живший в III в. до н. э. греческий астроном Аристарх Самосский считал, что Земля обращается вокруг Солнца. Расстояние до Солнца он определял в 600 диаметров Земли. На самом деле вычисленное им расстояние в 20 раз меньше действительного, но во времена Аристарха Самосского и оно казалось невообразимо огромным. Однако это расстояние мыслитель считал ничтожным по сравнению с расстояниями от Земли до звезд. Но гениальные мысли Аристарха Самосского не были поняты современниками. Во II в. до н. э. окончательно сформировалась геоцентрическая система мира. Александрийский астроном Птолемей обобщил существовавшие до него представления. Согласно модели Птолемея, вокруг шарообразной и неподвижной Земли движутся Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и небо неподвижных звезд. Движение Луны, Солнца, звезд правильное круговое, а движение планет гораздо сложнее. Каждая из планет, по мнению Птолемея, движется не вокруг Земли, а вокруг некоторой точки. Эта точка, в свою очередь, движется по окружности, в центре которой находится Земля. В течение многих столетий геоцентрическая система считалась единственно верной – она согласовывалась с библейским описанием сотворения мира. И только в период Возрождения началось развитие альтернативной мысли. Гелиоцентрическая система (от греч. helios – солнце) связана с именем польского ученого Николая Коперника (XV в.). Он возродил гипотезу Аристарха Самосского о строении мира: Земля уступила место центра Солнцу и оказалась третьей по счету среди вращающихся по круговым орбитам планет. Коперник путем сложных математических расчетов объяснил видимые передвижения планет вокруг Солнца. Учение Коперника имело революционное значение для последующего развития науки. После 30 лет упорного труда, долгих размышлений и сложных математических расчетов ученый доказал, что Земля – только одна из планет, а все планеты обращаются вокруг Солнца. При этом звезды Коперник считал неподвижными. Он полагал, что Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд, которые расположены на невообразимо огромных, но все-таки конечных расстояниях от нас и от Солнца. Таким образом, в учении Коперника утверждались представления об огромных размерах Вселенной, но не бесконечности ее. Смело развил идею бесконечности Вселенной великий итальянский мыслитель Джордано Бруно (XVI в.). По Бруно, огромное Солнце – всего только одна из звезд. Каждая звезда – такое же Солнце. Звезд бесконечное множество, они окружены планетами, на которых может быть жизнь. Бруно высказал догадки, что и Солнце, и звезды вращаются вокруг своих осей, а в Солнечной системе, кроме известных планет, существуют и другие, пока еще не открытые. С изобретением телескопа итальянский ученый Галилео Галилей в первой половине XVII в. сделал выдающиеся открытия, которые подтвердили учение Коперника и догадки Бруно. Галилей пришел к выводу, что вращение присуще не только Земле, но и другим небесным телам. Обнаружив спутники у Юпитера, Галилей пришел также к выводу о том, что не только Земля и Солнце могут быть центрами обращения небесных тел. Одновременно с Галилеем выдающиеся открытия в астрономии сделал немецкий ученый Иоганн Кеплер, сформулировав законы движения тел в Солнечной системе. Таким образом, к началу XVIII в. были достигнуты выдающиеся успехи в астрономии: открыты строение Солнечной системы и законы движения входящих в нее небесных тел; стало ясно, что Солнце – только одна из звезд в бесконечной звездной Вселенной. Дальнейшее развитие астрономии шло по пути накопления новых фактов и поиска вариантов их объяснения. Задачей современной астрономии является не только объяснение данных астрономических наблюдений, но и изучение эволюции Вселенной (от лат. evolution – развертывание, развитие). Эти вопросы рассматривает космология – наиболее интенсивно развивающаяся область астрономии. Изучение эволюции Вселенной основано на следующем: • универсальные физические законы считаются действующими во всей Вселенной; • выводы из результатов астрономических наблюдений признаются распространимыми на всю Вселенную; • истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (антропный принцип). При изучении Вселенной невозможно провести эмпирическую проверку результатов исследования, поэтому выводы космологии называют не законами, а моделями происхождения и развития Вселенной. Молель (от лат. modulus – образец, норма) – это схема определенного фрагмента природной или социальной реальности (оригинала), возможный вариант его объяснения. В процессе развития науки старая модель заменяется новой моделью. В основе современной космологии лежит эволюционный подход к вопросам возникновения и развития Вселенной, в соответствии с которым разработана модель расширяющейся Вселенной. Ключевой предпосылкой создания модели эволюционирующей расширяющейся Вселенной послужила общая теория относительности А. Эйнштейна (см. главу 3). Объектом теории относительности выступают физические события. Физические события характеризуют понятия пространства, времени, материи, движения, которые в теории относительности рассматриваются в единстве. Исходя из единства материи, пространства и времени следует, что с исчезновением материи исчезли бы и пространство, и время. Таким образом, до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени. Эйнштейн вывел фундаментальные уравнения, связывающие распределение материи с геометрическими свойствами пространства, с ходом времени и на их основе в 1917 г. разработал статистическую модель Вселенной. Согласно этой модели, Вселенная обладает следующими свойствами: • однородностью, то есть имеет одинаковые свойства во всех точках; • изотропностью, то есть имеет одинаковые свойства по всем направлениям. Из теории относительности следует, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сужаться. Таким образом, Вселенная обладает еще одним свойством – нестационарностью. Впервые выводо нестационарности Вселенной сделал А. А. Фридман, российский физик и математик, в 1922 г. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемое красное смещение. Красное смешение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смешаются к его красному концу. Сущность этого явления заключается в следующем: при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны, соответственно, увеличивается, поэтому при излучении происходит «покраснение», то есть линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Э. Хаббл исследовал спектры дальних галактик и установил, что их спектральные линии смещены в сторону красных линий, что означает «разбегание» галактик. Последующие исследования показали: галактики с большой скоростью удаляются не только от наблюдателя, но и друг от друга. При этом скорость «разбегания» галактик, исчисляемая десятками тысяч километров в секунду, прямо пропорциональна расстоянию между ними. Так был установлен факт расширения Вселенной. На основе результатов проведенных исследований Э. Хаббл сформулировал важный для космологии закон (закон Хаббла): Чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга. Это означает, что Вселенная нестационарна: она находится в состоянии постоянного расширения. Теория инфляции Из положения о том, что Вселенная в настоящее время находится в состоянии расширения, ученые, оперируя математическими моделями, пришли к заключению, что когда-то, в далеком прошлом, она должна была находиться в сжатом состоянии. Расчеты показали, что 13–15 млрд лет назад материя нашей Вселенной была сконцентрирована в необычайно малом объеме, около 10-33 см3, и имела огромную плотность – 1093 г/см3 при температуре 1027 К. Следовательно, начальное состояние Вселенной – так называемая «сингулярная точка» – характеризуется практически бесконечными плотностью и кривизной пространства, сверхвысокой температурой. Полагают, что наблюдаемая сейчас Вселенная возникла благодаря гигантскому взрыву этой исходной космической материи – Большому взрыву Вселенной. Представление о Большом взрыве является составной частью модели расширяющейся Вселенной. Концепция Большого взрыва, логично объясняя многие моменты эволюции Вселенной, не отвечает на вопрос, из чего же она возникла. Эту задачу решает теория инфляции. Теория инфляции, или теория раздувающейся Вселенной, возникла не в противовес, а в дополнение и развитие концепции Большого взрыва. Как следует из этой теории, Вселенная возникла из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. В соответствии с современными научными представлениями в вакууме отсутствуют физические частицы, поля и волны. Однако в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются за счет энергии вакуума и тут же исчезают. Когда вакуум по какой-то причине в некоторой точке возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные частицы. Этот период зарождения Вселенной и называют фазой раздувания (или инфляции). В фазе инфляции пространство нашей Вселенной увеличивается от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Такое расширение в 1050 раз больше, чем предполагалось в концепции Большого взрыва. К концу фазы раздувания Вселенной образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией. При разрушении возбужденного вакуума высвободилась гигантская энергия излучения, а некая суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Из-за необычайно высокой температуры и огромного давления Вселенная продолжала раздувание, но теперь уже с ускорением. В итоге сверхплотная и сверхгорячая материя взорвалась. В момент Большого взрыва тепловая энергия превращается в механическую и гравитационную энергии масс. Это означает, что Вселенная рождается в соответствии с законом сохранения энергии. Таким образом, основная идея теории инфляции состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях своего возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия, как и исходная материя, возникла из квантового вакуума, то есть из ничего. Объясняя происхождение Вселенной из возбужденного вакуума, теория инфляции пытается решить одну из основных проблем мироздания – проблему возникновения всего (Вселенной) из ничего (из вакуума). В середине XX в. формулируется концепция горячей Вселенной. Согласно данной концепции, на ранних этапах расширения, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была очень горячей: излучение доминировало надвеществом. При расширении температура падала, и с некоторого момента пространство стало для излучения практически прозрачным. Излучение, сохранившееся с начальных моментов эволюции (реликтовое излучение), равномерно заполняет всю Вселенную до сих пор. Вследствие расширения Вселенной температура этого излучения продолжает падать. В настоящее время она составляет 2,7 К.[4] Открытие реликтового излучения в 1965 г. явилось наблюдательным обоснованием концепции горячей Вселенной. Было выявлено фундаментальное свойство Вселенной – она горячая. Таким образом, в соответствии с моделью, разработанной на основе теории относительности, расширяющаяся Вселенная – однородная, изотропная, нестационарная и горячая Убедительными аргументами, подтверждающими обоснованность космологической модели расширяющейся Вселенной, являются установленные факты. К числу таких фактов относятся следующие: • расширение Вселенной в соответствии с законом Хаббла; • однородность светящейся материи на расстояниях порядка 100 Мпк; • существование реликтового фона излучения с тепловым спектром, соответствующим температуре 2,7 К. Возраст Вселенной, согласно современной космологической концепции ее происхождения и развития, исчисляется с начала расширения и оценивается в 13–15 млрд лет. Современная астрономия интенсивно развивается: открыты новые космические объекты, установлены ранее неизвестные факты. К числу сравнительно недавно открытых космических объектов относятся квазары, нейтронные звезды, черные дыры. Квазары – мощные источники космического радиоизлучения, которые, как предполагают, являются самыми яркими и далекими из известных сейчас небесных объектов. Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов, образующиеся, вероятно, в результате вспышек сверхновых звезд. Черные дыры (или «застывшие звезды», «гравитационные могилы») – объекты, в которые, как предполагают, превращаются звезды на заключительной стадии своего существования. Пространство черной дыры как бы вырвано из пространства метагалактики: вещество и излучение «проваливаются» в нее и не могут «выйти» обратно. Исследование предельно далеких галактик привело к неожиданному открытию, вызвавшему кардинальный пересмотр представлений о динамике расширения Вселенной и о роли в ней обычной материи. Было установлено, что в настоящее время Вселенная расширяется ускоренно. Агент, вызвавший это ускорение, получил название темной энергии. Природа темной энергии пока неизвестна. Вновь установленные факты изучаются с позиций эволюционного подхода к решению вопросов о происхождении и развитии Вселенной, согласно которому Вселенная выступает как результат дифференциации и усложнения форм организации материи. Галактики Вселенная образована огромным количеством галактик. Галактика (от греч. galaktikos – молочный, млечный) – звездная система, в свою очередь образованная звездами различных типов, звездными скоплениями. Помимо звездв состав галактик могут входить газовые, пылевые туманности и др. Разным галактикам соответствуют различные, но вполне определенные элементы. Состав галактик зависит от ее возраста и условий развития. Полагают, что среднее расстояние между галактиками 2 млн световых лет, а типичная скорость движения галактик – около 1000 км/с. Согласно расчетам, для прохождения расстояния до ближайшей галактики-соседки требуется около 1 млрд лет, и возможность столкновения любой галактики с себе подобной галактикой не исключена. Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд. Предположения о множественности галактик высказывались еще в середине VIII в., но доказательства их существования появились только в первой четверти XX в. Галактики образуют метагалактику (Вселенную), размеры которой оцениваются в 15–20 млрд световых лет, а возраст – в 13–15 млрд лет. Некоторые галактики излучают радиоволны с потрясающей мощностью. Предполагают, что в них существует магнитное поле, тормозящее движение находящихся там элементарных частиц, а это вызывает радиоизлучение. В 60-х гг. XX в. были открыты квазары – квазизвездные радиоисточники – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Природа квазаров пока неясна. Возможно, квазары представляют собой ядра новых галактик, а значит, процесс образования галактик продолжается и поныне. Галактики имеют свой центр (ядро), они различаются по форме, в соответствии с которой их классифицируют как спиральные, эллиптические, шаровые, неправильные Вследствие удаленности галактик свет от входящих в них миллиардов звезд сливается, создавая впечатление светящегося туманного вещества, поэтому галактики получили название туманностей. Ближайшая к нам большая галактика – наблюдаемая в созвездии Андромеды туманность – Туманность Андромеды. Это спиральная галактика, находящаяся от на нас расстоянии около 2 млн световых лет. Она была открыта в 1917 г. как первый внегалактический объект. В 1923 г. путем спектрального анализа в этом объекте были обнаружены звезды и таким образом доказана его принадлежность к другой галактике. Туманность Андромеды имеет спутники эллиптической или шаровидной формы – более мелкие галактики. Еще одна спиральная галактика находится в созвездии Треугольника. По размерам она меньше Туманности Андромеды и не имеет спутников. Галактики образуют группы галактик. Таких групп во Вселенной множество, они могут быть малыми и большими. Так, огромное облако, наблюдаемое в созвездии Девы, состоит из сотен галактик. В состав одной из групп – Местного скопления – входят спиральные галактики вместе со своими спутниками: Туманность Андромеды, галактика в созвездии Треугольника и наша Галактика. Наша Галактика – это звездная система, в которую входят все звезды, видимые в созвездиях, и все звезды Млечного Пути, а также газовые и пылевые туманности. Пылевые туманности – облака в межзвездном пространстве, образованные очень мелкой космической пылью. Космическая пыль препятствует прохождению света от звезд, поглощая его. В большей степени поглощается коротковолновая, сине-зеленая часть спектра, поэтому свет звезд становится более желтоватым и даже красноватым. Космическая пыль является существенной помехой для исследований, поскольку она искажает свет звезд, ослабляет их блеск, а более далекие из них делает совсем невидимыми. Полагают, что в малой доле космическая пыль образуется от столкновения и разрушения мелких твердых тел, но в своей основной массе она возникает, вероятно, вследствие сгущения межзвездного газа. Межзвездный газ был обнаружен по линиям поглощения в спектрах звезд. В его состав входит преимущественно водород, в меньшей степени – гелий; содержание азота и других легких газов небольшое. Межзвездный газ в крайне низких концентрациях имеется в большей части межзвездного пространства, а в отдельных местах образует скопления – газовые туманности Считают, что газ в туманностях частично является остатком тех газов, из которых когда-то возникли звезды, а также возникают и теперь: он выбрасывается звездами. В местах скопления газа может содержаться значительное количество космической пыли – это газово-пылевые туманности. Газовые и газово-пылевые туманности благодаря их свечению изучают с помощью астрономических приборов. Свечение газов в крупных газовых туманностях можно наблюдать потому, что толщина их огромна, а общая масса составляет от нескольких десятков до сотен тысяч масс Солнца. Газовые туманности бывают разных размеров и различной, чаще неправильной, формы. Туманности правильной, округлой формы – небольшие. Их называют планетарными. В отличие от крупных газовых туманностей масса планетарных туманностей очень мала: она составляет десятые и даже сотые доли массы Солнца. В центре каждой такой туманности имеется ядро – небольшая звездочка. Полагают, что это самые горячие из звезд, поскольку их излучение заставляет светиться планетарную туманность. Планетарные туманности образуются из газов, выделяемых звездой. Они недолговечны, поскольку медленно, со скоростью нескольких километров в секунду, расширяются в пространстве и со временем рассеиваются. Согласно расчетам, планетарные газовые туманности могут быть видимыми около 10 тыс. лет. Две туманности, наблюдаемые в южном полушарии неба, представляют собой галактики неправильной формы. Это Большое и Малое Магеллановы Облака – спутники нашей Галактики. Расстояние до них оценивается в 120 тыс. световых лет, а размеры этих галактик составляют 26 и 17 тыс. световых лет. По данным исследований, они состоят из звезд всевозможных типов, а также из газовых и пылевых туманностей. В них есть рассеянные и шаровые звездные скопления. Наша Галактика по форме очень похожа на Туманность Андромеды, обе имеют спутники. По размерам наша Галактика несколько меньше. Наша Галактика называется Млечный Путь. Млечный Путь опоясывает все небо как гигантская светящаяся лента. Это довольно большая галактика, имеющая диаметр около 100 тыс. свет. лет и включающая в себя более 100 млрд звезд, в том числе Солнце. Полная масса Галактики равна 150 млрд солнечных масс. Более яркие, близкие звезды расположены тем гуще, чем они ближе к средней линии Млечного Пути. Среднюю линию Млечного Пути называют галактическим экватором. Плоскость галактического экватора – это плоскость симметрии нашей звездной системы. Звездные скопления, звезды, газовые туманности, облака космической пыли – 95 % массы Галактики – сосредоточены в основном в районе этой плоскости. Только шаровые звездные скопления и звезды некоторых типов не подчиняются этому закону: они заполняют сферический объем, концентрируясь со всех сторон к центру Галактики. На долю сферической составляющей приходится около 5 % вещества Галактики. Таким образом, большая часть звезд нашей Галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. Наша Солнечная система находится очень близко к галактической плоскости, в которой звезды расположены наиболее тесно. Из-за облаков пыли, ослабляющих свет далеких звезд, очень трудно выяснить подробности строения Галактики. Установлено, что Наша Галактика имеет спиральное строение. Из ее ядра выходят две (возможно, более) спиральные ветви. Они состоят из звезд, газовых и пылевых туманностей и закручиваются вокруг ядра. Расположение спиральных ветвей точно пока не выяснено, но Солнце находится между ними, а самые горячие и яркие звезды группируются в звездных облаках, непосредственно образующих спиральные ветви. Много неясного связано с ядром Галактики. Его линейные размеры оценивают приблизительно в 4000 световых лет. Ядро является источником очень мощного излучения. Однако на звездном небе ядро Галактики не видно, поскольку заслонено облаками космической пыли, через которые его свет не доходит до нас. Ядро можно наблюдать, только применяя особые способы фотографирования. Вокруг ядра Галактики все звезды вращаются с разной скоростью. Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики – около 250 км/с. На один оборот ей требуется примерно 200 млн лет. Расстояние от Солнца до центра Галактики – около 30 тыс. световых лет, а до ее края – несколько меньше. Чем ближе к краю Галактики, тем разреженнее звезды. Свет всех далеких и слабых звезд сливается для нас в сплошное кольцо Млечного Пути. Предполагают, что вокруг многих звезд должны быть планетные системы. Даже если только на тысячу звезд приходится одна обитаемая планета, то и тогда во всей Галактике таких планет должно быть 100 миллионов. Звезды Звезды – самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов. Солнце – ближайшая к нам звезда. Расстояние от Земли до Солнца – 8,3 световой минуты. Состав звезд, а также их температуру исследуют посредством спектрального анализа. Спектральный анализ – астрофизический метод, изучающий химический состав светил с помощью исследования их спектров. Изучение спектров звезд позволило сделать вывод о том, что они состоят из атомов тех же химических элементов, что и все тела на Земле. В составе звезд преобладают водород (около 50 % по массе) и гелий (около 40 %). Атомы остальных химических элементов встречаются почти в таком же соотношении, как и на Земле. Вещество звезд представляет собой раскаленный газ. С учетом того, что масса звезд гораздо больше массы планет, понятно, что подавляющее большинство вещества Вселенной находится в состоянии раскаленного газа. При этом очень малая его доля находится в твердом и жидком состоянии, а живое вещество, даже если у многих звезд имеются обитаемые планеты, составляет ничтожную часть. Внутреннее строение звезд рассчитывается, исходя из следующего: элементарные частицы – электроны, протоны, фотоны и др. – одни и те же и в звездах, и на Земле. Поэтому при изучении внутреннего строения звезд применяют общие законы физики. Согласно современным представлениям, звезды светят вследствие того, что в их недрах происходят ядерные реакции: водород превращается в гелий, в результате чего и освобождается атомная энергия. Поскольку содержание атомов водорода в звездах велико, за счет таких преобразований большинство звезд может излучать энергию. Вследствие происходящих атомных превращений постепенно меняется их химический состав, что может служить указанием на направления звездной эволюции. Впечатление о бесчисленности звезд, видимых невооруженным глазом, ошибочно. В безлунную ночь в ясную погоду на небе видно всего лишь 3000 звезд. Мерцание звезд усиливает впечатление об их бесчисленности – одни и те же звездочки кажутся то ярче, то слабее из-за того, что между ними и нами протекают струйки воздуха различной плотности. Изучение звезд было вызвано потребностями материальной жизни общества – необходимостью ориентирования при путешествиях, создания календаря, определения точного времени. Еще в глубокой древности звездное небо было разделено на созвездия. Созвездия – участки, на которые разделяют звездное небо по фигурам, образуемым яркими звездами. Всего насчитывается 88 созвездий, ими пользуются для ориентировки на звездном небе. Принадлежность звезды к одному созвездию – это их видимая, или перспективная, близость. На самом деле звезды, причисляемые к одному созвездию, находятся на самых различных расстояниях от нас. Наблюдаемые на небе звезды характеризуются различным блеском, интенсивность которого определяется звездной величиной. Звездная величина – принятая в астрономии единица измерения видимого блеска звезд и других небесных тел. Чем слабее светится звезда, тем больше число, обозначающее ее звездную величину. Самые яркие назвали звездами первой величины. Самые слабые из видимых невооруженным глазом относят к звездам шестой величины. Звезды первой величины ярче звезд шестой величины в 100 раз. В бинокль видны звезды восьмой-девятой величин, а в телескоп – еще более слабые. Звезд первой величины на всем небе около 20. Звезд второй величины, таких, как главные звезды созвездия Большой Медведицы, – около 70. Всего видимых звезд, то есть звезд шестой величины и ярче, около 6000. Учитывая, что над горизонтом видна только половина всего неба, одновременно наблюдать можно максимально около 3000 звезд(см. выше). Звездная величина не имеет прямого отношения к действительной интенсивности испускаемого звездой излучения. Истинная сила света звезды характеризуется светимостью. Светимость определяется как отношение силы света звезды к силе света Солнца. Зная расстояние до звезды и ее видимый блеск с Земли, вычисляют, каким был бы блеск звезды, если бы она находилась на расстоянии Солнца. Отношение такого предполагаемого блеска звезды к блеску Солнца характеризует ее светимость. Если светимость звезды равна 5, то это значит, что она в 5 раз ярче Солнца. Если светимость обозначается 0,2 , то такая звезда в 5 раз слабее Солнца. Наибольшей известной светимостью, в 400 раз большей светимости Солнца, обладает звезда S из созвездия Золотой Рыбы. Число звезд большой светимости среди звезд, видимых невооруженным глазом, непропорционально велико, так как такие звезды видны на больших расстояниях. На самом деле звезды большой светимости в окрестностях Солнца встречаются гораздо реже, а звезды с меньшей светимостью – чаще. Из 20 ближайших к нам звездтолько 3 видны невооруженным глазом, а из 20 звезд, кажущихся нам яркими, только 3 входят в число ближайших. Основной метод определения расстояний до звезд состоит в измерении их видимых смещений, вызываемых обращением Земли вокруг Солнца. По смещению, величина которого обратно пропорциональна расстоянию, вычисляют и само расстояние. Годичные смещения звезд составляют обычно доли микронов, реже – несколько микронов. Расстояние до звезд может определяться и другими способами: например, исходя из светимости звезды и ее блеска. Наблюдаемые с Земли звезды различного цвета: голубоватые, белые, желтые, оранжевые и красные. Цвет звезд соответствует температуре их поверхности. Голубоватые звезды самые горячие – температура на их поверхности составляет десятки тысяч градусов. Температура белых звезд – порядка 103 К, желтых (как наше Солнце) – около 6000 К, а красных – 3000 К и ниже. По направлению к центру звезды температура повышается и в центре достигает миллионов и десятков миллионов градусов. В недрах звезд происходит превращение водорода в гелий, эти реакции поддерживают мощное тепловое и световое излучение звезд в течение огромных промежутков времени. Было установлено, что не только количество, но и качество излучения (цвет) определяется температурой. Раскаленное тело излучает свет всех цветов (всех длин волн), но в зависимости от температуры накала максимум излучения приходится на различные области спектра, вследствие чего суммарное излучение имеет то красный, то белый, то голубоватый цвет. Изучение звездных температур производят на основе спектрального анализа или посредством измерения количества тепла, приходящего от него на Землю. Звездный мир чрезвычайно многообразен. Различают несколько видов звезд: это гиганты и карлики, одиночные, двойные и кратные, переменные и новые. Звезды-гиганты – огромные звезды, в миллионы раз больше Солнца по объему. Такие звезды встречаются редко. Самые большие звезды называются сверхгигантами. Так, сверхгигант Антарес в созвездии Скорпиона по диаметру в 450 раз больше Солнца, а оно больше Земли в диаметре в 109 раз. Звезды-карлики, напротив, имеют относительно небольшие размеры. В зависимости от цвета звезды различают красные и белые карлики. Красные карлики меньше Солнца по диаметру примерно в 10 раз. Считают, что именно они составляют большую часть звезд. Белые карлики имеют еще более мелкие размеры и встречаются редко. Звезды сильно различаются по плотности: чем больше звезда, тем меньше ее плотность. Так, у звезд-гигантов плотность газов, из которых они состоят, очень мала – в сотни тысяч раз меньше плотности воды, а средняя плотность белых карликов в 30 раз больше плотности воды. Средняя плотность Солнца в 1,4 раза больше плотности воды. Двойные звезды – системы, состоящие из двух звезд, каждая из которых обращается вокруг их общего центра тяжести. Обычно более яркую звезду в паре называют главной, а другую – ее спутником. Ярчайшая звезда неба Сириус – двойная. Спутник этой звезды – белый карлик – обращается вокруг главной звезды за 50 лет и отстоит от нее в 20 раз дальше, чем Земля от Солнца. Среди двойных звезд различают так называемые спектрально-двойные звезды – тесные пары звезд, которые нельзя увидеть раздельно при помощи современных оптических средств. Двойственность их обнаруживается по периодическим смещениям линий в спектрах. Системы, состоящие из трех, четырех или более звезд, называются кратными звездами. Кратные звезды встречаются значительно реже, чем двойные. Ближайшая к нам звезда α-Центавра, видимая в Южном полушарии Земли, в действительности представляет собой систему, которая состоит из двух главных звезд, очень сходных с нашим Солнцем. Период их обращения почти 80 лет, а среднее взаимное расстояние в 23 раза больше расстояния от Земли до Солнца. У этих двух звезд есть спутник – красный карлик. Таким образом, α-Центавра – тройная звезда. Переменные звезды – звезды, блеск которых со временем меняется. Параллельно с изменением блеска меняются их цвет и температура, а иногда и размеры. Причиной переменности может являться периодическое затмение одной звезды другой. Но гораздо чаще происходят действительные изменения размеров и температур звезд: они сжимаются и расширятся – пульсируют. Промежутки между моментами наибольшего сжатия или расширения у одних переменных звезд составляют годы, у других – только часы. В зависимости от характера изменения блеска и причин, его вызывающих, переменные звезды подразделяются на различные типы. Затменные переменные звезды – очень тесные двойные звезды, плоскость орбиты которых проходит через луч зрения. При обращении вокруг общего центра тяжести обе звезды попеременно закрывают друг друга, так что общий блеск системы во время затмений ослабевает. Другой разновидностью переменных звезд являются цефеиды. Их так называют по типичной представительнице этого класса звезд звезде д в созвездии Цефея. Все цефеиды являются звездами-гигантами и сверхгигантами. Изменение блеска у них происходит строго периодически. Открытие зависимости между периодом изменения блеска у цефеид и их светимостью дало возможность определять расстояние до очень далеких звездных систем, если в них имеются цефеиды. Цефеиды – пульсирующие звезды. Пульсирует, расширяясь и сжимаясь, все тело звезды. При сжатии ее происходит нагревание, а при расширении – охлаждение. Изменение размера и температуры поверхности звезды и вызывает колебания ее излучения. Новые звезды – звезды, излучение которых внезапно увеличивается в тысячи раз, а затем медленно уменьшается. Это некоторые красные карлики. Изменения, происходящие в звезде за время вспышки, столь велики, что за несколько суток небольшая звезда-карлик превращается в гиганта. Блеск ее увеличивается более чем в 10 тыс. раз. От нее отделяется газовая оболочка, которая, продолжая расширяться, рассеивается в пространстве. В наибольшем своем блеске раздувшаяся оболочка больше нашего Солнца по диаметру в сотни раз. Новая звезда в большом блеске остается недолго, обычно около суток, затем ее блеск начинает ослабевать и звезда вновь сжимается до прежних размеров. Исследованиями установлено, что в нашей Галактике ежегодно происходит около 100 вспышек новых звезд, но мы замечаем лишь ближайшие из них. Вспышка не означает возникновения или уничтожения звезды. Через некоторый промежуток времени эта же звезда может вспыхнуть вновь. Вспышки являются следствием нарушения устойчивости звезды, вызванного внутренними причинами. Сущность этих причин пока не выяснена. Иногда в нашей и других галактиках наблюдаются вспышки сверхновых звезд. При таких вспышках звезды излучают свет в миллионы и в сотни миллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Сверхновые звезды – явление крайне редкое. Последней сверхновой звездой, наблюдавшейся в нашей Галактике, была звезда, которую наблюдал Кеплер в 1604 г. Таким образом, даже в таких гигантских звездных системах, как наша, вспышка сверхновой звезды бывает один раз в несколько столетий. Согласно расчетам, допускают, что в ряде случаев в результате вспышки сверхновой остаток звездной массы катастрофически сжимается и звезда превращается в быстро вращающуюся нейтронную. Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов. Они чрезвычайно плотные и очень малы – имеют в поперечнике около 10 км. Различают невидимые космические объекты, которые посылают огромное невидимое пульсирующее радиоизлучение, – пульсары. Пульсары – точечные источники радиоизлучения, испускающие импульсы с очень коротким периодом. Возможно, пульсары представляют собой нейтронные звезды. Звезды имеют огромные различия по размеру и плотности. Массы же звезд не отличаются так значительно и колеблются в пределах от 0,1 до нескольких десятков солнечных масс. Однако непосредственно массы звезд могут быть определены лишь у двойных звезд. Изучение масс двойных звезд показало, что между массами и светимостью звезд существует некоторая зависимость. В среднем светимость большинства звезд пропорциональна их массе в степени 3,3. Это соотношение позволяет определять массы звезд косвенно, по их светимости. Предполагают, что многие звезды окружены планетами. Вследствие дальности расстояния пока еще не удается непосредственно увидеть планеты около других звезд даже в самые мощные телескопы. Для их обнаружения необходимы тонкие методы исследования, тщательные наблюдения в течение десятков лет и сложные расчеты. Около некоторых ближайших звезд уже обнаружены невидимые спутники малой массы. Их вычислили по еле заметным движениям звезд под действием притяжения их невидимым спутником. Пока еще с достоверностью не установлено, являются ли эти спутники планетами или же крайне слабо светящимися маленькими звездами. Однако есть все основания предполагать, что наша планетная система не является исключительным явлением в мировом пространстве. На планетах, окружающих другие звезды, также вероятно существование жизни, и Земля не представляет в этом отношении исключения. В результате астрономических исследований для множества звезд точно определены положение на небе, их звездная величина, а также другие характеристики. По имеющимся сведениям составлены звездные каталоги, в которые занесено около миллиона звезд. По установленным положениям звезд на небе составляются карты звездного неба. Известно, что звезд ярче 21-й звездной величины около 2 млрд. Одна из них – Солнце. Солнце по всем признакам является рядовой звездой. Полагают, что возраст Солнца – 4–5 млрд лет. Ближайшие к Солнцу звезды – α-Центавра и Сириус. Скорость движения Солнца вокруг оси Галактики – 250 км/с. Расстояние от Земли до Солнца 8,3 световой минуты или 149,6 млн км. Диаметр Солнца оценивается в 1,4 млн км. Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли, а его объем больше земного в 1 млн 304 тыс. раз. Средняя плотность Солнца выше плотности воды в 1,4 раза. Но плотность вещества распределена неравномерно: внутри Солнца она чрезвычайно высокая, а снаружи – крайне низкая, в сотни раз меньшая, чем воздух. На основании проведенных исследований сделаны выводы о строении Солнца. Полагают, что Солнце состоит из нескольких слоев – внутренних и внешних. К внутренним слоям относятся ядро, область лучистого переноса энергии и конвективная зона. Внешние слои образует атмосфера. Ядро находится в центре Солнца. Его радиус составляет 1/3 солнечного радиуса. В ядре сосредоточена большая часть вещества Солнца. Температура вещества в центре Солнца превышает 10 млн К. В условиях сверхдавления и сверхвысокой температуры вещество ядра ионизировано, то есть представляет собой плазму. Частицы плазмы находятся в постоянном движении, скорость которого огромна. Поэтому между частицами непрерывно происходят ядерные реакции, в результате которых из атомов водорода образуются атомы гелия и выделяется большое количество энергии. Водородные ядерные реакции – источник солнечной энергии. За время своего существования Солнце не израсходовало еще и половины запасов водородного ядерного топлива. В течение почти всего этого времени излучение Солнца почти такое же, как и теперь. Так оно и будет светить миллиарды лет, пока в недрах Солнца весь водород не превратится в гелий. Область лучистого переноса энергии следует за ядром. Полагают, что ее толщина примерно равна радиусу ядра. Здесь в результате поглощения квантов, их дробления и переизлучения энергия переносится наружу. Выше находится конвективная зона толщиной примерно 200 тыс. км. Температура в конвективной зоне уже значительно ниже. Конвективная зона не может полностью передать огромное количество энергии, поэтому систематически ядерное вещество прорывается в наружные слои таким образом, что конвекция на Солнце напоминает кипение воды. Эта зона переходит во внешние слои Солнца – атмосферу. Солнечная атмосфера также состоит из нескольких слоев: фотосферы, хромосферы и короны. Фотосфера – самый глубокий и тонкий слой атмосферы. Здесь возникает подавляющее количество световых и тепловых лучей, посылаемых в пространство. Толщина фотосферы 200–300 км, ее температура оценивается в 6000 К. За фотосферой следует хромосфера – слой раскаленных газов толщиной 10–20 тыс. км. Поскольку в верхних слоях солнечной атмосферы световая энергия в значительной степени переходит в тепловую, температура хромосферы значительно выше температуры фотосферы и оценивается в десятки тысяч кельвинов. Корона – внешняя часть атмосферы Солнца. Температура в этой части Солнца – более 1 млн К. В короне плазма очень сильно разрежена, плотность ее в миллиарды раз меньше плотности воздуха. Поэтому корона еще прозрачнее, чем хромосфера, и количество излучаемого ею света очень мало. Яркость короны в миллионы раз меньше яркости фотосферы. Температура по мере удаления от поверхности Солнца уменьшается. Солнечная корона имеет огромные размеры – более 200 радиусов Солнца – и достигает орбиты Марса. Таким образом, Земля оказывается, образно говоря, погруженной в солнечную корону. В этой связи на Землю постоянно воздействует так называемый солнечный ветер – поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем. При соприкосновении с атмосферой Земли он отклоняется верхними ее слоями – ионосферой. Xотя внешние слои солнечной атмосферы имеют температуру более 1 млн К, их излучение составляет ничтожную долю от общей энергии, испускаемой Солнцем. Почти вся энергия исходит от фотосферы, имеющей температуру около 6000 К. Изучение температуры в различных частях Солнца производится радиоастрономическими методами. Установлено, что чем выше температура тела, тем более интенсивно оно излучает радиоволны. Доходящее до нас радиоизлучение Солнца возникает не в фотосфере, а в его короне. Периодически, с циклом в среднем около 11 лет, в солнечной атмосфере появляются активные области, число которых регулярно меняется. О возникновении активной области свидетельствуют солнечные пятна, наблюдаемые в фотосфере. Температура пятна примерно на 1000 К ниже температуры окружающей фотосферы. В активной области часто наблюдаются вспышки, яркость которых высока. В результате вспышек образуются направленные потоки очень быстрых заряженных частиц и космических лучей. Достигая Земли, этот поток вызывает заметные неправильные изменения магнитного поля Земли – так называемые магнитные бури. Причина периодичности солнечной активности пока неясна. Предполагают, что строение Солнца и процессы, происходящие в нем, могут быть типичными и для многих других звезд. Солнечная система В настоящее время проблема происхождения Солнечной системы остается открытой. Гипотезы ее возникновения следующие: • Планеты Солнечной системы сформировались путем объединения твердых, холодных тел и частиц, входящих в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце. • Спутники планет образовались из роя частиц, окружавших планеты. Орбиты всех планет являются почти круговыми и лежат в одной плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца. Общая масса всех планет Солнечной системы составляет всего 2 % от массы Солнца. Теории происхождения Солнечной системы Небулярная гипотеза Канта—Лапласа. Согласно естественнонаучным взглядам философа И. Канта, орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности» (ошибочное предположение, так как движение могло начаться только при косом ударе туманностей). Он считал причинами, противодействующими стремлению к «равновесию», химические процессы внутри Земли, которые зависят от космических сил и проявляются в виде землетрясений и вулканической деятельности (1755 г.). П. Лаплас – французский ученый-физик, разделяя взгляды Канта в этот же период, исходил из предположения о горячей медленно вращающейся туманности, которая по мере охлаждения сжималась. По закону сохранения момента импульса, при этом росла скорость вращения, и центробежные силы отрывали от нее кольца. Материя в этих кольцах сжималась под действием тяготения, формируя компактные тела. Приливная, или планетозимальная, гипотеза. В XX в. американские астрофизики Т. Чемберлен и Ф. Мультон рассмотрели идею встречи Солнца со звездой, вызвавшей приливной выброс солнечного вещества (1906 г.), из которого и образовались планеты. С. Аррениус – американский астрофизик, допустил и прямое столкновение Солнца со звездой (1913 г.). Предполагается, что в результате появилось некое волокно, распавшееся при вращении на части – основу планет. Еще один американский астрофизик – Дж. Джинс – предположил (1916 г.), что какая-то звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты. Гипотеза захвата Солнцем межзвездного газа. Ее предположил шведский астрофизик X. Альфен (1942 г.). Атомы газа ионизировались при падении на Солнце и стали двигаться по орбитам в его магнитном поле, поступая в определенные участки экваториальной плоскости. Академик-астрофизик В. Г. Фесенков (1944 г.) предположил, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому. Астроном и математик Дж. Дарвин и математик А. М. Ляпунов (40-е г. XX в.) рассчитали независимо друг от друга фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Согласно взглядам О. Струве – английского астрофизика (40-е гг. XX в.), быстро вращающиеся звезды могут выбрасывать вещество в плоскости своих экваторов. В результате этого образуются газовые кольца и оболочки, а звезда теряет массу и момент количества движения. Кометная гипотеза происхождения планет Солнечной системы. Эту популярную ныне гипотезу предложил А. А. Маркушевич (1992 г.). Сводится она к следующему. В газопылевой туманности, имеющей вид дискообразного вращающегося облака и состоящей из мелких пылевидных железосиликатных частиц и газов – воды и водорода, при понижении температуры газы намерзали на пылинки, увеличивая их размер. Возникал состав, свойственный составу комет. Частицы сталкивались между собой, большие по объему концентрировались в центре туманности, а меньшие оттеснялись на периферию, дав начало планетам. Шло укрепление и разрастание образующихся тел – астероидов, комет, планет. При образовании планет происходила аккреция (стяжение кометной массы), выделялась теплота, которая разогревала центр сгустка до расплавленного состояния и расслаивала водородную оболочку и железосиликатное ядро, которое позже расслоилось на железоникелевое ядро и силикатную оболочку, не позволявшую рассеиваться теплоте в космическом пространстве. Так планеты приобрели почти сферическую форму. По своим физическим характеристикам планеты Солнечной системы делятся на две группы: планеты земной группы и газовые (или планеты-гиганты). Планеты Солнечной системы Планеты Солнечной системы (земная группа) Крупнейшими после Солнца объектами Солнечной системы являются планеты и их спутники. Общая масса планет составляет 448 масс Земли, а спутников – 0,12 массы Земли. Суммарная масса планет и спутников составляет лишь 1/750 часть массы Солнца. Планеты Солнечной системы достаточно сильно отличаются друг от друга. Ближайшие к Солнцу планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – называются твердыми планетами, поскольку имеют плотность, в 4–5 раз превышающую плотность воды, и твердую поверхность. Плутон представляет собой несформировавшуюся твердую планету, по своим характеристикам напоминающую планеты первой группы. Кроме того, у Плутона есть спутник Xарон, лишь в два раза меньший Плутона. Наконец, существуют предположения о большой десятой темной планете. Каждую из планет можно охарактеризовать по девяти основным параметрам. Это расстояние от Солнца, период обращения вокруг Солнца, период обращения вокруг своей оси, средняя плотность (г/см3 ), диаметр экватора в километрах, относительная масса (масса Земли принимается за единицу), температура поверхности, число спутников, преобладание газа в атмосфере. Ближайшей к Солнцу планетой является Меркурий. Он состоит из большого железного ядра, расплавленной каменистой мантии и твердой коры. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну. Его поверхность испещрена кратерами и огромными уступами (высотой до 3 км), сформировавшимися в результате остывания и сжатия поверхности планеты. Сила тяжести на Меркурии в два раза меньше земной, поэтому атмосфера практически отсутствует. На планете царят безмолвие и экстремальные температуры – до 350 °C на освещенной Солнцем стороне планеты и до -170 °C на ночной стороне. Венера по размерам, массе и плотности сходна с Землей. Однако она имеет очень плотную атмосферу, пропускающую солнечное излучение и не выпускающую его обратно. Поэтому на Венере действует парниковый эффект, который сейчас отмечается и на Земле. В результате этого эффекта температура поверхности Венеры составляет 400500 °C. Поверхность Венеры сияет так ярко, что Венера занимает третье место по яркости (после Солнца и Луны) среди всех видимых с Земли объектов. Ближайшее к Земле небесное тело – ее спутник Луна. Луна имеет небольшое ядро из железа и серы, окруженное полурасплавленной астеносферой. Над астеносферой расположена литосфера (твердая каменная оболочка), и над ней – кора из минералов, богатых кальцием и алюминием. Поверхность Луны изрыта кратерами, имеет огромные равнины (моря) и горы. Планеты Солнечной системы (газовые). Вторая четверка планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) – газообразные, большие, с плотностью 0,7–1,7 г/см3 (то есть чуть меньше или чуть больше плотности воды). Юпитер является крупнейшей планетой Солнечной системы. Вместе со своими 16 спутниками он составляет Солнечную систему в миниатюре. Масса Юпитера в три раза превосходит массу всех остальных планет Солнечной системы. В центре Юпитера находится небольшое каменное ядро. Его окружает вначале слой металлического водорода, по свойствам напоминающего жидкий металл, затем слой жидкого водорода. Плотная атмосфера Юпитера состоит из водорода, гелия, метана и аммиака и по толщине в 8-10 раз превосходит земную атмосферу. Если попытаться высадиться на Юпитер, то космический аппарат будет долго тонуть в атмосфере, однако посадки так и не произойдет. Из 16 спутников Юпитера наиболее известны четыре, открытые еще Галилеем. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Ио по размерам чуть больше Луны. Мощные приливные силы Юпитера разогревают ядро Ио, и на этом спутнике идет активная вулканическая деятельность. Сатурн известен своими кольцами. В начале 1980-х гг. с помощью космического зонда «Вояджер» было выяснено, что кольца Сатурна состоят из огромного количества кусков льда различного размера – от пылинок до глыб. Помимо колец у Сатурна есть 17 спутников, из которых Титан имеет самую плотную атмосферу. У Сатурна самая низкая плотность среди планет Солнечной системы. Его небольшое ядро из льда и камня окружено слоями металлического и жидкого водорода. В атмосфере Сатурна бушуют ветры, скорость которых достигает 1800 км/ч. Уран, Нептун и Плутон удалены настолько, что достоверной информации об их составе не удавалось получить до 1986 г. В 1986 г. космический зонд «Вояджер-2» передал фотографии Урана и Нептуна, по которым были установлены состав атмосферы и наличие вихрей, а также обнаружены спутники этих планет. Кометы, астероиды, метеорное вещество. Помимо 9 крупных спутников (планет) Солнце имеет множество мелких спутников, называемых астероидами. Большинство из них находится в поясе астероидов, между орбитами Марса и Юпитера. Есть также группа астероидов (Троянцы и Греки), движущаяся вдоль орбиты Юпитера, и другие группы. Всего в астрономических каталогах зафиксировано более 6000 малых планет. Помимо астероидов, движущихся по орбитам, подобным орбитам планет, Солнечную систему пересекают кометы. Орбиты комет одним краем приближены к Солнцу, другим удалены от него, иногда на очень значительные расстояния. Например, удаленный край орбиты кометы Энке с периодом обращения 3,3 года не достигает орбиты Юпитера. Орбита кометы Галлея с периодом обращения 76 лет не достигает орбиты Плутона. Орбита кометы Когоутека с периодом обращения 75 000 лет выходит далеко за пределы орбиты Плутона. По современным гипотезам, кометы представляют собой огромные глыбы из льда и камня, которые испаряются при подходе к Солнцу и образуют газовый и пылевой хвосты, направленные от Солнца. Со временем кометы рассыпаются, оставляя после себя облака пыли. Ежегодно в августе Земля проходит через полосу пыли, оставшуюся от кометы Свифта-Тутля, и в эти периоды можно наблюдать метеоритные дожди, называемые Персеидами. Землю ежесекундно бомбардируют тысячи метеоритов – обломков космических тел. Однако большинство из них сгорает в атмосфере, не достигая поверхности Земли. Крупные метеориты могут взрываться, оставляя кратеры на земной поверхности. Планета Земля • Форма и размеры Земли • Космические ритмы • Зональные комплексы • Комплексные природные зоны • Понятие о литосфере • Гидросфера • Атмосфера • Общие представления о географической оболочке • Проверка знаний: Планета Земля Форма и размеры Земли Земля является объектом изучения многих наук: от геологии и тектоники до философии и культуры. В совокупности этих наук выделяются отраслевые науки, изучающие отдельные части вертикальной и горизонтальной структуры Земли, и системные науки, синтезирующие всю совокупность знаний о Земле для решения теоретических или прикладных проблем. Среди отраслевых наук особое развитие получили геология (наука о литосфере), гидрология (наука о гидросфере), климатология (наука об атмосфере), геофизика (наука, изучающая Землю как физическое тело), геохимия (наука, изучающая естественные химические процессы, протекающие в пределах Земли), геоморфология (наука, изучающая рельеф Земли), почвоведение (наука, изучающая почвы на поверхности Земли), биогеография (наука, изучающая распределение живого вещества на поверхности Земли). К системным наукам относится география, синтезирующая знания отраслевых наук применительно к поверхности Земли. При этом физическая география изучает естественные природные комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате взаимодействия биотических и абиотических факторов, а социально-экономическая география изучает социально-экономические комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате освоения человеком ее территорий. В IV в. до н. э. древнегреческий ученый Аристотель заметил, что тень от Земли на Луне, наблюдаемая во время лунных затмений, всегда имеет одинаковую круглую форму. Он предположил, что Земля, как Луна и Солнце, является шарообразным телом. Это наблюдение было очень важным для развития человеческой мысли. Но Земля – не идеальный шар, она сплюснута у полюсов и расширена к экватору. Такое геометрическое тело называется сфероидом, или эллипсоидом вращения. Однако истинная форма Земли сложнее из-за неоднородного строения недр. Известный ученый В. И. Вернадский назвал такую форму геоид(«землеподобный»). Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Поверхность геоида совпадает с уровнем Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды, отсутствии течений, волн, приливов и др. В настоящее время с помощью космических методов исследования ученые с достаточной степенью точности могут составить модель поверхности Земли, которую по форме иногда сравнивают с обкусанным яблоком, подчеркивая при этом неоднородность ее поверхности. Полярный радиус Земли составляет 6357 км, а экваториальный – 6378 км, то есть больше полярного на 21 км (рис. 3). Рис. 3. Форма и размеры Земли Земная ось – это воображаемая прямая, проходящая через центр Земли. Две точки, через которые проходит ось Земли, называются полюсами. Их два – Северный и Южный. На одинаковом расстоянии от полюсов проходит воображаемая линия – экватор. К северу от экватора – Северное полушарие, к югу – Южное. Длина экватора составляет немногим более 40 000 км. Космические ритмы Жизнь природы и человека подчинена космическим ритмам. В основе смены дня и ночи, лета и зимы, хороших и плохих лет лежат космические процессы, связанные с движением космических тел относительно друг друга. Так, смена дня и ночи обусловлена вращением Земли вокруг своей оси, месячный и недельный ритмы обусловлены обращением Луны вокруг Земли, чередование сезонов года связано с обращением Земли вокруг Солнца (приближением и удалением от Солнца), чередование хороших и плохих лет – с солнечной активностью. С солнечной активностью связывают три вида ритмов: 11-летний ритм, 22-23-летний ритм, 80-90-летний ритм. Обращение Земли вместе со всей Солнечной системой вокруг центра Галактики за 220–250 млн лет определяет геологическую ритмику, то есть смену геологических эпох. Поскольку существуют еще гравитационные связи между планетами, движение комет и многие другие взаимодействия, количество космических ритмов может быть весьма значительным. Ясно, что все они так или иначе оказывают воздействие на неживую природу, живую природу и человека. Наиболее очевидным ритмом является смена дня и ночи. Животный и растительный миры обязаны приспосабливаться к этому ритму для успешной жизнедеятельности. Люди, наблюдая за Солнцем, заметили, что через определенное время повторяется восходи заход Солнца. Промежуток времени между двумя восходами (или заходами) называется сутками. Солнце постоянно освещает Землю, однако во время своего движения Земля поворачивается к Солнцу то одной стороной, то другой. На освещенной Солнцем стороне бывает день, на противоположной – в это время ночь. Земля совершает полный оборот вокруг своей оси с запада на восток за 24 часа, то есть за сутки. В разных местах земного шара, расположенных на разных меридианах, то есть имеющих разную долготу, в один и тот же момент часы показывают разное время суток. Но на одном и том же меридиане в каждой его точке от Северного полюса до Южного время суток оказывается одним и тем же. Это время называется местным. Но пользоваться местным временем неудобно, это мешает при осуществлении связей между разными странами и между частями нашей огромной по протяженности с запада на восток страны. Поэтому астрономы разработали и предложили ввести систему поясного времени. Для удобства отсчета времени решением Международного конгресса поверхность Земли разделили меридианами на 24 часовых пояса, каждый из них включает в себя 15° долготы (Земля за 1 час поворачивается на 15°). Время каждого часового пояса отличается от последующего на 1 час. Нумерация поясов от 0 до 23 ведется с запада на восток от Гринвичского меридиана. Во всех пунктах, находящихся в пределах одного пояса, в данный момент считается одно и то же время. Москва находится во 2-м часовом поясе. Во многих странах мира осуществляется переход на декретное время (от лат. decretum – указ, постановление) – поясное время, переведенное вперед или назад на 1 час с целью наиболее рационального использования светлой части суток (летнее или зимнее время). В России поясное время отличается от декретного на 1 час. Поэтому Москва, находясь во 2-м часовом поясе, практически живет по времени 3-го часового пояса. Таким образом, когда в Москве 13 часов (московское время), то в Париже – 11 часов (среднеевропейское время), в Лондоне – 10 часов (Гринвичское время) (рис. 7.2). Скорость движения планет вокруг Солнца зависит в первую очередь от положения их орбит. Чем дальше находится планета от Солнца, тем больше ее орбита, тем длиннее ее год. Например, год на Юпитере продолжается почти 12 земных лет, на Сатурне – почти 30. Самая далекая планета Солнечной системы Плутон делает один оборот вокруг Солнца за 248 земных лет. Земля – третья по счету планета в Солнечной системе. Она совершает один оборот вокруг Солнца за 365 дней 6 часов 9 минут и 9 секунд. Для удобства считают, что в году 365 дней, а через каждые четыре года, когда из шести часов «накопятся» 24 часа, в году бывает 366 дней. Этот год называется високосным, а один день прибавляется к февралю. Путь Земли вокруг Солнца – земная орбита – имеет форму эллипса. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км. Ось вращения Земли наклонена к плоскости земной орбиты подуглом 66,5°. ![][] Рис. 7.2. Часовые пояса Земли Благодаря обращению Земли вокруг Солнца и постоянному наклону земной оси на нашей планете сменяются времена года и существуют пояса освещенности. Наблюдения показывают, что в нашу эпоху положение планеты в Солнечной системе практически не менялось и земной год– величина достаточно постоянная. Смена времен года. На рис. 7.3 показано годовое движение Земли вокруг Солнца в разное время года. Летом Северное полушарие как бы повернуто к Солнцу, а зимой – наоборот. 23 сентября и 21 марта – дни осеннего и весеннего равноденствия, когда Солнце одинаково освещает оба полушария Земли. В этот день и в Северном и в Южном полушарии день равен ночи. 22 декабря – день зимнего солнцестояния: самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии. Земля обращена к Солнцу своим Южным полушарием. Там лето. У нас зима. ![][] Рис. 7.3. Схема годового движения Земли вокруг Солнца Тропики (от греч. tropikos – круг поворота) – географические параллели 23°27 широты, на которых один раз в год, в один из дней солнцестояния, полуденное солнце бывает в зените. 22 декабря, в день зимнего солнцестояния, Солнце находится в полдень в зените для мест, лежащих в Южном тропике (тропик Козерога). 22 июня – день летнего солнцестояния, когда самый длинный день и самая короткая ночь в Северном полушарии. В этот день Солнце в зените наблюдают жители мест, расположенных в Северном тропике (тропик Рака). В Южном полушарии в это время зима, в Северном – лето. Полярные круги – географические параллели 66°33 широты, на которых в один из дней солнцестояния наблюдается полярный день, а в другой – полярная ночь. Они являются границами зон полярных ночей и полярных дней. Полярная ночь может длиться в полярных поясах от 1 суток на широте Северного или Южного полярных кругов до 178 суток на Северном или Южном полюсах. Во время полярной ночи Солнце не появляется над горизонтом. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга этот период начинается 22 декабря, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше. Полярный день – это период, когда Солнце не спускается за горизонт. Чем дальше от Полярного круга к полюсу, тем длиннее полярный день. На широте Полярного круга он длится 1 сутки, а на полюсе – 189 суток. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга полярный день начинается 22 июня, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше. Аналогичное явление имеет место в Южном полушарии, но в другое полугодие. Календарные системы. На основе космической ритмики созданы различные календарные системы. Известны византийский и иудейский календари, ведущие отсчет от мифического сотворения мира (01.09.5508 г. до н. э.), древнегреческий (начало отсчета – первые Олимпийские игры – 01.07.776 г. до н. э.), христианский (от даты рождения Христа – 01.01.01 г. н. э.), мусульманский (бегство Мухаммеда из Мекки – 16.07.622 г. н. э.). Древнеегипетский календарь (солнечный) базировался на нескольких космических и природных ритмах. Так, главный цикл (продолжительностью 1460 лет) начинался с восхода звезды Сириус. Год состоял из 12 месяцев по 30 дней, 5 дней прибавлялись к последнему месяцу в конце каждого года. 12 месяцев распределялись по трем сезонам: сезону половодья (реки Нил), длившемуся с середины июля до середины ноября; сезону восходов (с середины ноября до середины марта); сезону засухи. В настоящее время во всех цивилизованных странах используется григорианский календарь. Это солнечный календарь, разработанный врачом и математиком Л. Лилио и введенный папой римским Григорием XIII в 1582 г. Средняя продолжительность года в этом календаре – 365,2425 суток, что дает ошибку в одни сутки за 3300 лет. С 5 октября 1582 года (с 15 октября по григорианскому календарю) расхождение между старым (юлианским) и новым стилем составляло 10 суток, а с марта 1900 г. – уже 13 суток. В России григорианский календарь введен 1 февраля 1918 г. (14 февраля по григорианскому календарю). Во многих мусульманских странах принят лунный календарь, базирующийся на смене фаз Луны, – новолуние; нарождающаяся Луна (серп повернут рожками влево); неполная Луна; полнолуние; снова неполная Луна; убывающая Луна (серп повернут рожками вправо). Период между двумя новолуниями (29,5 суток) – лунный месяц. В календарном месяце лунного календаря чередуются 29 и 30 дней. 12 календарных месяцев составляют лунный год продолжительностью 354 суток, то есть короче солнечного на 11 суток. Начало лунного года отодвигается на все более ранние даты солнечного календаря. Зональные комплексы На поверхности Земли можно выделить 11 зональных комплексов с границами, приблизительно параллельными экватору. На формирование зон влияют три основные причины: положение Земли по отношению к Солнцу, особенности перераспределения тепла и влаги по поверхности Земли с воздушными и океаническими течениями и конфигурация океанов и континентов. Неравномерная освещенность земной поверхности солнечными лучами является главной причиной образования зон. Она зависит от угла падения солнечных лучей и длительности освещения территории. Таким образом, глобальная система работает как тепловая машина, принимая солнечное излучение, преобразуя его в тепло и перераспределяя тепло по всей поверхности Земли. Поскольку Земля вращается не только вокруг Солнца, но и вокруг своей оси, потоки воздуха в тропосфере и океанические течения приобретают момент вращения и формируют вертикальные (перпендикулярные поверхности Земли) и горизонтальные (параллельные поверхности Земли) круговороты. На формирование зон влияет также конфигурация континентов и океанов. В океанах зоны размещены более равномерно, поскольку вода выступает как достаточно однородная субстанция, выравнивающая температурные различия. На континентах границы зон зависят от рельефа местности и удаленности участков от океанов. Например, в горных районах отмечается так называемая вертикальная зональность, распространяющаяся и на примыкающие территории (как в Северной и Южной Америке), а значительное удаление участков от океанов приводит к увеличению внутрисуточных и межсезонных температурных контрастов (усиление «континентального» климата). Помимо распределения тепла огромное значение для живой природы и человека имеет распределение влаги. Оно подчиняется тем же зональным закономерностям, однако имеет свои причины и особенности. Насыщение воздуха водяным паром происходит в жарком поясе (экватор и тропики) над водной поверхностью. Однако выпадение осадков, обеспечивающих главный источник влаги для флоры и фауны, зависит от условий конденсации водяного пара. Эти условия существуют при восходящих потоках насыщенного водяными парами теплого воздуха, остывающего при подъеме (условия экватора, наветренных склонов гор, атмосферных фронтов в умеренных широтах и др.). Общим правилом является обильное выпадение осадков в районах с низким атмосферным давлением (восходящие потоки воздуха) и небольшое количество осадков в районе с высоким давлением. Комплексные природные зоны Наложение природных поясов друг на друга и приводит к формированию комплексных природных зон, отличающихся сочетанием температурных условий (жаркий, умеренный, холодный) и влажности, или климатических зон. В том случае, когда количество осадков превышает их испарение, формируется гумидная (влажная) зона. Когда количество осадков примерно равно испарению, формируется равновесная зона, и, наконец, в случае превышения испарения над осадками формируется аридная (сухая) зона. От экватору к полюсу они идут в следующем порядке. 1. Тропический пояс лежит между тропиками, по обе стороны от экватора, и занимает около 40 % земной поверхности (в этом поясе Солнце по одному разу в год (в дни солнцестояния) бывает в зените над каждым из тропиков). 1. жаркая влажная зона (избыток тепла и влаги) – от 0° до10° с. ш. ию.ш.; 2. жаркая равновесная зона (избыток тепла, равновесие влаги) – от 10° до20° с. ш. и ю. ш.; 3. жаркая аридная зона (избыток тепла, дефицит влаги) – от 20° до40° с. ш. ию.ш. 2. Два умеренных пояса (Северный и Южный) расположены между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. В течение суток обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от широты и времени года. Четко выражены четыре времени года. Умеренные пояса занимают 52 % земной поверхности: 1. умеренная равновесная зона (равновесие тепла и влаги) – от 40° до 50° с. ш. и ю. ш.; 2. умеренная гумидная зона (равновесие тепла, избыток влаги) – от 50° до 70° с.ш. и ю.ш. 3. Два полярных пояса (Северный и Южный) – к северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга – характеризуются наличием полярных дней и ночей. Их площадь – 8 % земной поверхности: полярная зона (нехватка тепла, избыток почвенной влаги и сухой воздух) – от 70° до90° с. ш. ию.ш. Поскольку жаркая влажная зона распространяется по обе стороны от экватора, а остальные пять зон расположены симметрично в Северном и Южном полушариях, общее количество зональных структур составляет 11. К ним необходимо добавить горные районы, где зональность соответствует не только широтному положению территории, но и высоте гор, экспозиции склонов и наветренному (подветренному) положению склонов и хребтов. Необходимо отметить, что границы зон неустойчивы. В зависимости от изменения космических факторов, а также динамики подсистем неживой и живой природы распределение температур и влаги на поверхности Земли меняется и границы зон трансформируются. В далеком прошлом известны периоды, когда большую часть суши занимали влажные леса (350 млн лет назад) или обширные пустыни (280 млн лет назад). Даже в период существования человека на Земле (4 млн лет) границы зон резко изменялись в связи с крупными материковыми оледенениями. Изменения границ природных зон оказали прогрессивное влияние на древнего человека, который был вынужден приспосабливаться к изменениям климата и экосистем, использовать пещеры, огонь, шкуры, орудия труда, одомашнивать животных и растения и т. д. В настоящее время на изменение границ влияют не только космические факторы или процессы в неживой природе, но главным образом хозяйственная деятельность общества. Так, потепление климата смещает границы всех зон к Северному и Южному полюсам, а вырубка лесов и сельскохозяйственное использование равновесной зоны приводит к расширению аридной зоны со скоростью до 24 км2 в час, или 21 млн га в год. Результатом процесса опустынивания может стать расширение аридной зоны с 50 млн км2 до 80 млн км2 , что составит 62 % всей суши, пригодной для существования общества. Понятие о литосфере Внутреннее строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. Литосфера (от греч. lithos – камень и sphaire – шар) – это верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии. Литосфера составляет в среднем от 70 до 250 км (рис. 4). Земная кора – верхняя часть литосферы – не везде имеет одинаковую толщину. Различают два основных типа земной коры: материковый и океанический (рис. 5). Под океанами нижняя граница земной коры уходит на глубину 510 км, под равнинами – на 35–45 км, а подгорными массивами – до 70 км. Слои земной коры состоят из горных породи минералов. Рис. 5. Строение земной коры материков и океанов (по В. М. Муратову) Минерал – природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в глубинах и на поверхности литосферы. Это составная часть горных пород (Земли и некоторых других планет), руд и метеоритов. Горная порола – природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре. По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, метаморфические и осадочные. Магматические и метаморфические горные породы слагают 90 % объема земной коры, остальные 10 % приходятся на долю осадочных, которые занимают 75 % земной поверхности. Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы, поднимающейся из сильно разогретых глубин Земли. В случае, когда магма медленно остывает на большой глубине, образуются интрузивные (или глубинные) горные породы, имеющие кристаллическую структуру (гранит, селенит, дунит). При быстром остывании магмы, излившейся на поверхность, образуются эффузивные (или излившиеся) горные породы (базальт, андезит). Осадочные горные породы, в отличие от магматических, образуются только на поверхности Земли и формируются под воздействием внешних сил. По происхождению выделяют неорганические (обломочные и хемогенные) и органические осадочные породы. Обломочные горные породы образовались в результате выветривания, переотложения водой, льдом или ветром продуктов разрушения ранее возникших горных пород. К ним относятся песок, глина, валунный суглинок. Хемогенные горные породы формируются в результате осаждения из воды морей и озер растворенных в ней веществ. Пример такой породы – каменная соль. Органические породы образуются в результате накопления останков животных и растений, как правило, на дне океанов, морей и озер. Такой породой является известняк (в частности, его разновидность – ракушечник), мел, а также горючие полезные ископаемые. Как осадочные, так и магматические горные породы при погружении на большие глубины под влиянием повышенного давления и высоких температур подвергаются значительным изменениям – метаморфизму, превращаясь в метаморфические горные породы. Так, например, известняк преобразуется в мрамор, песчаник – в кварцит, гранит – в гнейс. Мантия Земли. Подземной корой, ближе к центру Земли, располагается слой толщиной почти 3000 км, называемый мантией (см. рис.5). Внутри мантии, на глубине 100–250 км под континентами и 50-100 км под океанами, находится слой повышенной пластичности вещества, так называемая астеносфера. Ученые предполагают, что мантия состоит из магния, железа и кремния и имеет очень высокую температуру – до 2000 °C. Установлено, что температура горных пород с глубиной возрастает: в среднем на 1 °C на каждые 33 м в глубь Земли. Увеличение температуры происходит главным образом за счет распада радиоактивных элементов, входящих в состав земного ядра. Ядро Земли – пока загадка для науки. С определенной достоверностью можно говорить лишь о его радиусе – 3500 км и температуре – около 4000 °C. Многие ученые считают не случайным тот факт, что площадь поверхности ядра – 148,7 млн км2 – как бы уравновешивается площадью поверхности суши Земли – 149 млн км2 , создавая баланс ее внутренних и внешних сил. Гидросфера Гидросфера (от греч. hydro – вода и sphaira – шар) – водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей и континентальных водных бассейнов – рек, озер, болот и др., подземных вод, ледников и снежных покровов. Полагают, что водная оболочка Земли образовалась в раннем архее, то есть примерно 3800 млн лет назад. В этот период истории Земли на нашей планете установилась температура, при которой вода могла находиться в значительной мере в жидком агрегатном состоянии. Вода как вещество обладает уникальными свойствами, к числу которых относятся следующие: • способность к растворению очень многих веществ; • высокая теплоемкость; • нахождение в жидком состоянии в интервале температур от 0 до 100 °C; • большая легкость воды в твердом состоянии (льда), нежели в жидком. Уникальные свойства воды позволили ей играть важную роль в эволюционных процессах, происходящих в поверхностных слоях земной коры, в круговороте вещества в природе и являться условием возникновения и развития жизни на Земле. Вода начинает выполнять свои геологические и биологические функции в истории Земли после возникновения гидросферы. Гидросферу составляют поверхностные воды и подземные воды. Поверхностные воды гидросферы покрывают 70,8 % земной поверхности. Их суммарный объем достигает 1370,3 млн км3 , что составляет 1/800 общего объема планеты, а масса оценивается в 1,4 ч 1018 т. К числу поверхностных вод, то есть вод, покрывающих сушу, относят Мировой океан, континентальные водные бассейны и материковые льды. Мировой океан включает в себя все моря и океаны Земли. Моря и океаны покрывают 3/4 поверхности суши, или 361,1 млн км2 . В Мировом океане сосредоточена основная масса поверхностных вод – 98 %. Мировой океан условно разделен на четыре океана: Атлантический, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый. Полагают, что современный уровень океана установился около 7000 лет назад. По данным геологических исследований, колебания уровня океана за последние 200 млн лет не превышали 100 м. Вода в Мировом океане соленая. Среднее содержание солей составляет около 3,5 % по массе, или 35 г/л. Их качественный состав следующий: из катионов преобладают Na+,Mg2+,K+,Ca2+ , из анионов – Cl−,SO2−4,Br−,CO2−3,F− . Считается, что солевой состав Мирового океана остается постоянным с палеозойской эры – времени начала развития жизни на суше, то есть примерно в течение 400 млн лет. Континентальные водные бассейны представляют собой реки, озера, болота, водохранилища. Их воды составляют 0,35 % от общей массы поверхностных вод гидросферы. Некоторые континентальные водоемы – озера – содержат соленую воду. Эти озера имеют либо вулканическое происхождение, либо представляют собой изолированные остатки древних морей, либо образованы в районе мощных отложений растворимых солей. Однако в основном континентальные водоемы пресные. Пресная вода открытых водоемов также содержит растворимые соли, но в небольшом количестве. В зависимости от содержания растворенных солей пресную воду разделяют на мягкую и жесткую. Чем меньше в воде растворено солей, тем она мягче. Самая жесткая пресная вода содержит солей не более 0,005 % по массе, или 0,5 г/л. Материковые льды составляют 1,65 % от общей массы поверхностных вод гидросферы, 99 % льда находится в Антарктиде и Гренландии. Общая масса снега и льда на Земле оценивается в 0,0004 % массы нашей планеты. Этого достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем льда толщиной 53 м. Согласно расчетам, если эта масса растает, то уровень океана поднимется на 64 м. Химический состав поверхностных вод гидросферы приблизительно равен среднему составу морской воды. Из химических элементов по массе преобладают кислород (85,8 %) и водород (10,7 %). Поверхностные воды содержат значительное количество хлора (1,9 %) и натрия (1,1 %). Отмечается существенно более высокое, чем в земной коре, содержание серы и брома. Подземные воды гидросферы содержат основной запас пресной воды. Предполагают, что суммарный объем подземных вод примерно 28,5 млрдкм3. Это почти в 15 раз больше, чем в Мировом океане. Считают, что именно подземные воды являются основным резервуаром, пополняющим все поверхностные водоемы. Подземная гидросфера может быть разделена на пять зон. Криозона. Область льдов. Зона охватывает полярные районы. Толщина ее оценивается в пределах 1 км. Зона жидкой воды. Охватывает практически всю земную кору. Зона парообразной воды ограничивается глубиной до 160 км. Полагают, что вода в этой зоне имеет температуру от 450 °Cдо700 °C и находится под давлением до 5 ГПа.[5] Ниже, на глубинах до 270 км, располагается зона мономерных молекул воды. Она охватывает слои воды с диапазоном температур от 700 °C до 1000 °C и давлением до 10 ГПа. Зона плотной воды простирается, предположительно, до глубин в 3000 км и опоясывает всю мантию Земли. Температуру воды в этой зоне оценивают в промежутке от 1000° до 4000 °C, а давление – до 120 ГПа. Вода при таких условиях полностью ионизирована. Гидросфера Земли выполняет важные функции: она регулирует температуру планеты, обеспечивает круговорот веществ, является составной частью биосферы. Непосредственное воздействие на регуляцию температуры поверхностных слоев Земли гидросфера оказывает благодаря одному из важных свойств воды – большой теплоемкости. По этой причине поверхностные воды аккумулируют солнечную энергию, а затем медленно ее отдают в окружающее пространство. Выравнивание температуры на поверхности Земли происходит исключительно благодаря круговороту воды. Кроме того, снег и лед имеют очень высокую отражающую способность: она превышает среднюю для земной поверхности на 30 %. Поэтому на полюсах разность между поглощенной и излученной энергией всегда отрицательна, то есть поглощенная поверхностью энергия меньше испущенной. Так происходит терморегуляция планеты. Обеспечение круговорота веществ – другая важнейшая функция гидросферы. Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Вода гидросферы растворяет в себе воздух, концентрируя при этом кислород, используемый в дальнейшем водными живыми организмами. Находящийся в воздухе углекислый газ, образующийся преимущественно в результате дыхания живых организмов, сжигания топлива и извержения вулканов, обладает высокой растворимостью в воде и аккумулируется в гидросфере. Гидросфера растворяет в себе также тяжелые инертные газы – ксенон и криптон, содержание которых в воде выше, чем в воздухе. Воды гидросферы, испаряясь, поступают в атмосферу и выпадают в виде осадков, которые проникают в горные породы, разрушая их. Так вода участвует в процессах выветривания горных пород. Обломки горных пород сносятся текучими водами в реки, а затем в моря и океаны или в замкнутые континентальные водоемы и постепенно отлагаются на дне. Эти отложения впоследствии превращаются в осадочные горные породы. Полагают, что главные катионы морской воды – катионы натрия, магния, калия, кальция – образовались в результате выветривания горных пород и последующего выноса продуктов выветривания реками в море. Важнейшие анионы морской воды – анионы хлора, брома, фтора, сульфат-ион и карбонат-ион, вероятно, происходят из атмосферы и связаны с вулканической деятельностью. Часть растворимых солей систематически выводится из состава гидросферы посредством их осаждения. Например, при взаимодействии растворенных в воде карбонат-ионов с катионами кальция и магния образуются нерастворимые соли, которые опускаются на дно в виде карбонатных осадочных горных пород. В осаждении некоторых солей большую роль играют организмы, населяющие гидросферу. Они извлекают из морской воды отдельные катионы и анионы, концентрируя их в своих скелетах и раковинах в виде карбонатов, силикатов, фосфатов и других соединений. После смерти организмов их твердые оболочки накапливаются на морском дне и образуют мощные толщи известняков, фосфоритов и различных кремнистых пород. Подавляющая часть осадочных горных пород и такие ценные полезные ископаемые, как нефть, уголь, бокситы, разнообразные соли и т. д., образовались в прошлые геологические периоды в различных водоемах гидросферы. Установлено, что даже самые древние горные породы, абсолютный возраст которых достигает около 1,8 млрд лет, представляют собой сильно изменившиеся осадки, образованные в водной среде. Вода используется также в процессе фотосинтеза, в результате которого образуется органическое вещество и кислород. В гидросфере примерно около 3500 млн лет назад зародилась жизнь на Земле. Эволюция организмов продолжалась исключительно в водной среде вплоть до начала палеозойской эры, когда примерно 400 млн лет назад началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. В этой связи гидросферу рассматривают как компонент биосферы (биосфера – сфера жизни, область обитания живых организмов). Живые организмы распространены в гидросфере крайне неравномерно. Количество и многообразие живых организмов в отдельных участках поверхностных вод определяется многими причинами, в том числе комплексом факторов внешней среды: температурой, соленостью воды, освещенностью, давлением. С увеличением глубины ограничивающее действие освещенности и давления возрастает: количество поступающего света резко уменьшается, а давление, наоборот, становится очень высоким. Так, в морях и океанах заселены в основном литоральные зоны, то есть зоны не глубже 200 м, наиболее прогреваемые солнечными лучами. Характеризуя функции гидросферы на нашей планете, В. И. Вернадский отмечал: «Вода определяет и создает всю биосферу. Она создает основные черты земной коры, вплоть до магматической оболочки». Атмосфера Атмосфера (от греч. atmos – пар, испарение и sphaira – шар) – оболочка Земли, состоящая из воздуха. В состав воздуха входит ряд газов и взвешенные в них частицы твердых и жидких примесей – аэрозолей. Масса атмосферы оценивается в 5,157×1015 т. Столб воздуха оказывает давление на поверхность Земли: среднее атмосферное давление на уровне моря – 1013,25 гПа, или 760 мм рт. ст. Давление величиной 760 мм рт. ст. приравнено к внесистемной единице давления – 1 атмосфере (1 атм.). Средняя температура воздуха у поверхности Земли – 15 °C, при этом температура изменяется примерно от 57 °C в субтропических пустынях до -89 °C в Антарктиде. Атмосфера неоднородна. Различают следующие слои атмосферы: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые отличаются по особенностям распределения температуры, плотности воздуха и некоторым другим параметрам. Участки атмосферы, занимающие промежуточное положение между этими слоями, соответственно называют тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой. Тропосфера – нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в полярных широтах и до 16–18 км в тропиках. Тропосфера характеризуется падением температуры воздуха с высотой—с удалением от поверхности Земли на каждый километр температура уменьшается примерно на 6 °C. Плотность воздуха быстро убывает. В тропосфере сосредоточено около 80 % всей массы атмосферы. Стратосфера располагается на высотах в среднем от 10–15 км до 50–55 км от поверхности Земли. Стратосфера характеризуется повышением температуры с высотой. Возрастание температуры происходит по причине поглощения озоном, находящимся в этом слое атмосферы, коротковолновой радиации Солнца, прежде всего УФ (ультрафиолетовых) лучей. При этом в нижней части стратосферы до уровня около 20 км температура мало меняется с высотой и может даже незначительно уменьшаться. Выше температура начинает возрастать – сначала медленно, а с уровня 34–36 км намного быстрее. В верхней части стратосферы на высоте 50–55 км температура достигает 260270 К. Мезосфера – слой атмосферы, расположенный на высотах 55–85 км. В мезосфере температура воздуха с увеличением высоты уменьшается – примерно с 270 К на нижней границе до 200 К на верхней границе. Термосфера простирается на высотах примерно от 85 км до 250 км от поверхности Земли и характеризуется быстрым повышением температуры воздуха, достигающей на высоте 250 км 800-1200 К. Повышение температуры происходит вследствие поглощения этим слоем атмосферы корпускулярной и рентгеновской радиации Солнца; здесь тормозятся и сгорают метеоры. Таким образом, термосфера выполняет функцию защитного слоя Земли. Выше тропосферы находится экзосфера, верхняя граница которой условна и отмечается высотой примерно 1000 км над поверхностью Земли. Из экзосферы атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство. Так происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству. Атмосферный воздух вблизи поверхности Земли состоит из различных газов, преимущественно из азота (78,1 % по объему) и кислорода (20,9 % по объему). В состав воздуха в небольшом количестве также входят следующие газы: аргон, углекислый газ, гелий, озон, радон, водяной пар. Кроме того, воздух может содержать различные переменные компоненты: оксиды азота, аммиак и др. Помимо газов в состав воздуха входит атмосферный аэрозолъ, который представляет собой взвешенные в воздухе очень мелкие твердые и жидкие частицы. Аэрозоль образуется в процессе жизнедеятельности организмов, хозяйственной деятельности человека, вулканических извержений, подъема пыли с поверхности планеты и из космической пыли, попадающей в верхние слои атмосферы. Состав атмосферного воздуха до высоты порядка 100 км в целом постоянен во времени и однороден в разных районах Земли. При этом содержание переменных газообразных компонентов и аэрозолей неодинаково. Выше 100–110 км происходит частичный распад молекул кислорода, углекислого газа и воды. На высоте около 1000 км начинают преобладать легкие газы – гелий и водород, а еще выше атмосфера Земли постепенно переходит в межпланетный газ. Водяной пар – важная составная часть воздуха. Он поступает в атмосферу при испарении с поверхности воды и влажной почвы, а также путем транспирации растениями. Относительное содержание водяного пара в воздухе меняется у земной поверхности от 2,6 % в тропиках до 0,2 % в полярных широтах. С удалением от поверхности Земли количество водяного пара в атмосферном воздухе быстро падает, и уже на высоте 1,5–2 км убывает наполовину. В тропосфере ввиду понижения температуры водяной пар конденсируется. При конденсации водяного пара образуются облака, из которых выпадают атмосферные осадки в виде дождя, снега, града. Количество осадков, выпавших на Землю, равно количеству испарившейся с поверхности Земли воды. Избыток водяного пара над океанами переносится на континенты воздушными потоками. Количество водяного пара, переносимого в атмосфере с океана на континенты, равно объему стока рек, впадающих в океаны. Озон сосредоточен на 90 % в стратосфере, остальная его часть находится в тропосфере. Озон поглощает УФ-радиацию Солнца, которая негативно воздействует на живые организмы. Районы с пониженным содержанием озона в атмосфере называют озоновыми дырами. Наибольшие колебания толщины озонового слоя наблюдаются в высоких широтах, поэтому вероятность возникновения озоновых дыр в районах, близких к полюсам, выше, чем у экватора. Углекислый газ поступает в атмосферу в значительном количестве. Он постоянно выделяется в результате дыхания организмов, горения, извержения вулканов и других процессов, происходящих на Земле. Однако содержание углекислого газа в воздухе мало, поскольку основная его масса растворяется в водах гидросферы. Тем не менее отмечается, что за последние 200 лет содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось на 35 %. Причина такого существенного увеличения – активная хозяйственная деятельность человека. Главным источником тепла для атмосферы является поверхность Земли. Атмосферный воздух достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечные лучи. Поступающая на Землю солнечная радиация частично поглощается атмосферой – главным образом, водяным паром и озоном, но подавляющая ее часть достигает земной поверхности. Суммарная солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, частично отражается от нее. Величина отражения зависит от отражающей способности конкретного участка земной поверхности, так называемого альбедо. Среднее альбедо Земли – около 30 %, при этом разница между величиной альбедо от 7–9 % для чернозема до 90 % для свеже-выпавшего снега. Нагреваясь, земная поверхность выделяет тепловые лучи в атмосферу и нагревает ее нижние слои. Помимо основного источника тепловой энергии атмосферы – теплоты земной поверхности, тепло в атмосферу поступает в результате конденсации водяного пара, а также путем поглощения прямой солнечной радиации. Неодинаковый разогрев атмосферы в разных областях Земли вызывает неодинаковое распределение давления, что приводит к перемещению воздушных масс вдоль поверхности Земли. Воздушные массы перемещаются из областей с высоким давлением в области с низким давлением. Такое движение воздушных масс называют ветром. При определенных условиях скорость ветра может быть очень большой, до 30 м/с и более (более 30 м/с – уже ураган). Состояние нижнего слоя атмосферы в данном месте и в данное время называют погодой. Погода характеризуется температурой воздуха, осадками, силой и направлением ветра, облачностью, влажностью воздуха и атмосферным давлением. Погода определяется условиями циркуляции атмосферы и географическим положением местности. Она наиболее устойчива в тропиках и наиболее изменчива в средних и высоких широтах. Характер погоды, ее сезонная динамика зависят от климата на данной территории. Под климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, сохраняющиеся на протяжении длительного времени. Это усредненные за 100 лет характеристики – температура, давление, количество осадков и др. Понятие климата (от греч. klima – наклон) возникло еще в Древней Греции. Уже тогда понимали, что погодные условия зависят от угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность Земли. Ведущим условием установления определенного климата на данной территории является количество энергии, приходящейся на единицу площади. Оно зависит от суммарной солнечной радиации, падающей на земную поверхность, и от альбедо этой поверхности. Так, в районе экватора и у полюсов температура мало меняется в течение года, а в субтропических областях и в средних широтах годовая амплитуда температур может достигать 65 °C. Основными климатообразующими процессами являются теплообмен, влагообмен и циркуляция атмосферы. Все эти процессы имеют один источник энергии – Солнце. Атмосфера является непременным условием для всех форм жизни. Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеют следующие газы, входящие в состав воздуха: кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. Кислород необходим для дыхания подавляющему большинству живых организмов. Азот, усваиваемый из воздуха некоторыми микроорганизмами, необходим для минерального питания растений. Водяной пар, конденсируясь и выпадая в виде осадков, является источником воды на суше. Углекислый газ – исходное вещество для процесса фотосинтеза. Озон поглощает вредное для организмов жесткое УФ-излучение. Предполагают, что современная атмосфера имеет вторичное происхождение: она образовалась после завершения образования планеты около 4,5 млрд лет назад из газов, выделяемых твердыми оболочками Земли. В течение геологической истории Земли атмосфера под влиянием различных факторов претерпевала значительные изменения своего состава. Развитие атмосферы зависит от геологических и геохимических процессов, происходящих на Земле. После возникновения жизни на нашей планете, то есть примерно 3,5 млрд лет назад, на развитие атмосферы начали оказывать существенное влияние и живые организмы. Значительная часть газов – азот, углекислый газ, водяной пар – возникла в результате извержения вулканов. Кислород появился около 2 млрд лет назад как результат деятельности фотосинтезирующих организмов, первоначально зародившихся в поверхностных водах океана. В течение последнего времени происходят заметные изменения в атмосфере, связанные с активной хозяйственной деятельностью человека. Так, согласно наблюдениям, за последние 200 лет произошел существенный рост концентрации парниковых газов: содержание углекислого газа возросло в 1,35 раза, метана – в 2,5 раза. Значительно увеличилось содержание многих других переменных компонентов в составе воздуха. Происходящие изменения состояния атмосферы – увеличение концентрации парниковых газов, озоновые дыры, загрязнение воздуха – представляют собой глобальные экологические проблемы современности. Общие представления о географической оболочке В. В. Докучаев, открывший закон географической зональности, отмечал, что в природе гармонично взаимодействуют друг с другом шесть природных компонентов: земная кора литосферы, воздух атмосферы, вода гидросферы, растительный и животный мир биосферы, а также почва постоянно обмениваются между собой веществом и энергией. Обмен веществом происходит постоянно, и примеров таких можно привести множество: • вода растворяет минералы и горные породы; • вода гидросферы является частью живых организмов биосферы; • вода в виде пара постоянно присутствует в нижнем слое атмосферы Земли; • минералы и горные породы литосферы всегда находятся в живых организмах, в атмосфере (пыль, песок), в воде; • углекислый газ воздуха растворяется в воде; • организмы биосферы – растения – усваивают углекислый газ, выделяя кислород; • накапливаясь на дне океанов, останки организмов биосферы образуют толщи осадочных пород литосферы; • кислород в атмосфере и гидросфере является главным источником жизни организмов биосферы. Все процессы на Земле происходят благодаря энергии Солнца и внутренней энергии Земли. В каждом из приведенных выше примеров предполагается и обмен энергией. Так, энергия растений биосферы, потребляемая животными, создает энергию животного мира. Вечные льды гидросферы охлаждают атмосферу и гидросферу. Благодаря этим процессам в природном комплексе сохраняется определенное равновесие между всеми природными компонентами. Благодаря этим процессам природа имеет удивительную способность к самовосстановлению, самоочищению, саморегуляции. Если в природном комплексе меняется один какой-нибудь компонент, то все другие меняются тоже, при этом стараясь восстановить свое равновесие. Стремление к самовосстановлению – одно из главных свойств природы. ► Географическая оболочка – это целостная и непрерывная оболочка Земли, среда деятельности человека, в пределах которой соприкасаются, взаимно проникают друг в друга и взаимодействуют нижние слои атмосферы, поверхностные толщи литосферы, вся гидросфера и биосфера. Между этими частями происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Таким образом, географическая оболочка – это планетарный, охватывающий всю поверхность Земли, природный комплекс. Суммарная толщина географической оболочки – несколько десятков километров. Основным источником процессов, происходящих в географической оболочке, служит энергия Солнца. Ее неравномерное поступление и распределение по шарообразной поверхности Земли приводит к огромной пространственной дифференциации природных условий в географической оболочке, в результате чего ее можно разделить на более мелкие природные комплексы, среди которых есть сходные (однородные) и совершенно различные. Наиболее крупные зональные подразделения географической оболочки – географические (природные) пояса Земли, протягивающиеся в широтном или субширотном направлении. Они совпадают с климатическими поясами и имеют те же названия, так как выделяются по температурным условиям и преобладающим воздушным массам. Однако природные комплексы географических поясов также неоднородны. Наиболее значительные изменения в природных условиях вызваны делением поверхности Земли на материки и океаны. Различное сочетание тепла и влаги в прибрежных и внутренних частях материков является причиной образования в географических поясах природных зон – природных комплексов менее крупных размеров, которые в свою очередь можно подразделить на подзоны и другие более мелкие природные комплексы, например ландшафты. Ландшафт (от нем. Land – земля и schaft – взаимосвязанный) – природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительность и живой мир) находятся в сложном взаимдействии и взаимообусловленности, образуя единую неразрывную систему. Многими учеными ландшафт рассматривается в качестве основной единицы в иерархии природно-территориальных комплексов. Особенности различных ландшафтов формируются под воздействием как зональных, так и азональных факторов. К зональным относят климат, воду, почвы, растительный и животный мир; к азональным – рельеф, геологическое строение, горные породы. Еще одно важное положение в современных концепциях географии занимает понятие географическая среда, которая возникла в результате длительной эволюции географической оболочки под влиянием антропогенного воздействия, создания так называемой «вторичной природы», то есть городов, заводов, каналов, транспортных магистралей и др. ► Географическая срела – это часть природы Земли, с которой человеческое общество непосредственно взаимодействует в своей жизни и производственной деятельности на данном этапе исторического развития. В последнее время наряду с понятием о географической среде в научный обиход вошло также понятие об окружающей природной среде (или окружающей среде). Окружающая среда – необходимое условие жизни и деятельности общества. Она служит средой его обитания, важнейшим источником ресурсов, оказывает большое влияние на духовный мир людей. Природное окружение всегда было источником существования человека. Однако взаимодействие человека и природы менялось в разные исторические эпохи. Два миллиона лет назад первобытные люди все необходимое для жизни находили в природном окружении, занимаясь охотой и собирательством: люди охотились на животных и птиц, ловили рыбу, выкапывали корни и луковицы растений, собирали ягоды, грибы, личинки насекомых, опустошали птичьи гнезда, забирали мед у пчел, вылавливали моллюсков и ракообразных на морском побережье, кочуя в поисках пищи с места на место. Некоторые индийские племена Северной и Южной Америки, бушмены Африки, аборигены Австралии до сих пор живут собирательством. Появление и развитие земледелия 7 тыс. лет назад положило начало массовой вырубке лесов на Земле. По оценкам ученых, к моменту появления человека на Земле леса занимали 60 % ее поверхности, а сейчас – только 30 %. В настоящее время нетронутые человеком леса сохранились в тайге России, Канады, а также в тропических лесах Амазонии. В наибольшей степени леса сведены в Евразии и Северной Америке. По мере расширения пахотных земель и пастбищ быстрыми темпами вырубаются тропические леса Африки, Юго-Восточной Азии, Амазонии. Древесина повсеместно используется в качестве дешевого топлива. Пастбищные земли наиболее сильно подвержены опустыниванию. Этот процесс характерен для всех материков Земли. По оценкам специалистов, человек радикально изменил и освоил 56 % территории суши, причем это наиболее благоприятные для жизни районы. Природу некоторых географических зон Земли можно наблюдать только в заповедниках. К ним относятся в первую очередь североамериканские прерии и европейские степи. Они полностью освоены человеком. Ученые-географы предложили классифицировать географические зоны по степени их преобразования человеком; неизмененные (арктические пустыни), слабо измененные (тундра, лесотундра, северная тайга, полупустыни и пустыни), сильно измененные (смешанные и широколиственные леса, южная тайга), преобразованные (лесостепи, степи). В ландшафтоведении, в зависимости от степени антропогенного воздействия, выделяют первичные природные ландшафты, которые образованы действием лишь природных факторов; природно-антропогенные ландшафты, которые образованы действием как природных, так и антропогенных факторов; и антропогенные ландшафты, существование которых поддерживается лишь за счет деятельности людей. Живая материя • Электромагнитные взаимодействия как определяющие химический и биологический уровень организации материи • Симметрия и асимметрия в природе • Самоорганизация природы • Открытые системы • Принцип производства минимума энтропии • Нелинейные системы (нелинейность) • Неравновесная термодинамика • Диссипативные структуры • Теория бифуркаций • Представление о жизни в современном естествознании • Проверка знаний: Живая материя Электромагнитные взаимодействия как определяющие химический и биологический уровень организации материи Живое вещество, как и вся материя Вселенной, состоит из атомов и молекул, для которых уже известны определенные законы поведения, в том числе на квантово-молекулярном уровне. В этом смысле при научном познании живого представляется вполне возможным применение физических представлений и моделей по исследованию развития природы и закономерностей процессов, проходящих в живом организме. По этому поводу советский физико-химик и биофизик М. В. Волькенштейн писал: «В биологии как в науке о живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти, в том числе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля». По мнению многих исследователей, изучение проблем генетического кода, молекулярной природы наследственности и т. д. на заключительном этапе сводится к квантово-механическому объяснению всех этих явлений. В связи с этим следует отметить, что атомно-молекулярное толкование большинства явлений живого на сегодняшний день представляется наиболее верным. Вероятно, что живой и неживой природой управляют одни законы, однако механизм их проявления разный, что подтверждается синергетикой как наукой о неравновесных системах и самоорганизации. Существование физических полей разной природы в живых организмах представляет значительный интерес. Это связано с одной стороны с раскрытием сущности физики живого, а с другой – с взаимодействием полей живых организмов с полями окружающей природной среды, обусловленными главным образом гелио– и геофизическими факторами. Эти взаимодействия обеспечивают живому организму необходимый ему объем информации в процессе жизнедеятельности. Функционирование всех систем живого организма динамично отражается в мозаике физических полей и излучений, исходящих из него, которые, в свою очередь, зависят от параметрических изменений естественных фоновых полей и излучений, окружающих живой организм. Идентификация полей и излучений, например, человеческого организма сейчас широко используется в медицине для определения динамики различных физиологических процессов и выявления «неполадок» в функционировании определенных органов. Поэтому физические поля и излучения живого организма как бы есть своеобразное «табло» его физиологических процессов. Например, человеческий организм способен продуцировать инфракрасное излучение (ИК) и излучения сверхвысокой частоты (СВЧ), электромагнитные поля (ЭМП) и излучения (ЭМИ) и т. д. По существу, живой организм окружен биополем, под которым следует понимать присущую ему совокупность физических полей. Электромагнитное взаимодействие обусловливается электрическими и магнитными зарядами. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Магнитные силы порождаются движением электрических зарядов, то есть электрическими токами. Согласно закону Кулона, сила электрического взаимодействия будет силой притяжения или отталкивания в зависимости от знаков взаимодействующих зарядов. Видимый свет, являющийся основой существования зеленых растений, синтезирующих органическое вещество на Земле, да и всего живого, является электромагнитным излучением определенного диапазона частот. Согласно теории советского биохимика А. И. Опарина электромагнитные излучения Солнца и электрических разрядов явились энергетической основой абиогенного происхождения жизни. Именно с их помощью происходил процесс образования биомолекул: аминокислот, нуклиотидов, полисахаридов, белковых комплексов, а затем клетки как главной структуры живого. Электромагнитные поля и электромагнитные излучения являются основными видами излучения для живых организмов. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу. Электромагнитные взаимодействия характеризуют структуру и поведение атомов, отвечают за связи между молекулами различных веществ, таким образом определяя химические и биологические явления. Электромагнитные поля и излучения в живом организме связаны с возникновением, движением и взаимодействием электрических зарядов в процессе его онтогенеза. На клеточном уровне они возникают при работе митохондрий, на органном и организменном уровнях – при работе сердца и токе крови в сосудах, при нервных и мышечных сокращениях. Электрические явления в живом организме характеризуются определенными последовательностями электрических импульсов и ритмами определенной характеристики, поскольку в каждом органе вырабатываются свои определенные, специфические электроколебательные процессы. Ритмичность и частота колебаний этих процессов зависят от степени активности организма (сон, бег, сильный стресс и т. д.). В свою очередь, активность физиологического состояния организма (например, человека) и его работоспособность также зависят от биоритмов и периодически меняются сообразно времени суток. Биологические ритмы как следствие эволюционного процесса проявляются на всех уровнях организации живой материи, начиная с клеток и заканчивая биосферой. Ритмичность на уровне клеток живого организма определяется биохимическими колебательными процессами, связанными с движением ионов, необходимых для жизнедеятельности клетки (К+,Са2+ и др.), как вовнутрь клетки, так и из нее. Доказано, что общим регулятором внутриклеточных процессов являются ионы кальция. Именно они и их концентрация обеспечивают биологические ритмы клеток. Ритмичность на уровне растительных организмов проявляется в годовом изменении темпов роста, суточном движении листьев; на уровне животных организмов в темпах двигательной активности, в колебаниях температуры, функционировании органов внутренней секреции, синтеза гормонов, белков, половой активности и т. д. Американский математик и кибернетик Н. Винер писал, что «именно ритмы головного мозга объясняют способность чувствовать время». Чем сложнее система, тем она обладает большим количеством биоритмов. Биоритмы определяют биологическое время и свойственны неравновесным самоорганизующимся живым системам. Интенсивность физико-химических процессов в мембране и, следовательно, в самой клетке определяется величиной мембранного потенциала. Это значит, что энергия электрического поля в мембранах, подобно конденсаторам, играет важную роль в поддержании устойчивого/неустойчивого равновесия и рассматривается как резерв свободной энергии. Эта энергия, наряду с энергией АТФ (аденозинтрифосфат) и перекисного окисления липидов необходима живому организму для функционирования и развития. Биохимические реакции в живом организме обусловлены биологическим током, возникающим при движении электронов и, в основном, ионов. При этом возрастает роль поляризации клеток и биополимерных молекул, роль структуры воды в процессах метаболизма. Изменения электрических свойств организмов связано с перераспределением в них электрических зарядов при их движении. Это же происходит и в потоке крови. Крови свойственны электропроводность и магнетизм. При ее движении по сосудам возникают электродинамические, электромагнитные и гидродинамические взаимодействия со стенками сосудов. Следовательно, электромагнитные взаимодействия являются атрибутом существования живой материи на любом уровне ее организации. Живые организмы буквально плавают в море всевозможных физических полей – как внутренних, вырабатываемых самими организмами, так и внешних. Симметрия и асимметрия в природе Симметрия и асимметрия являются объективными свойствами природы, одними из фундаментальных в современном естествознании. Симметрия и асимметрия имеют универсальный, общий характер как свойство материального мира. Симметрия (от греч. symmetria – соразмерность, порядок, гармония) является всеобщим свойством природы. Представление о симметрии у человека складывалось тысячелетиями. Термин «симметрия» фигурирует в представлениях человека как элемент чего-то «правильного», прекрасного и совершенного. В своих раздумьях над картиной мироздания человек определял симметрию как магическое качество природы, ее целесообразность, совершенство и старался отразить эти свойства в музыке, поэзии, архитектуре. В определенной мере симметрия выражает степень упорядоченности системы. В связи с этим имеется тесная корреляционная связь энтропии как меры неупорядоченности с симметрией: чем выше степень организованности вещества, тем выше симметрия и ниже энтропия. Степень симметрии природных систем отражается в симметрии математических уравнений, законов, отображающих их состояние, в неизменности каких-либо их свойств по отношению к преобразованиям симметрии. Симметрия – это понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, то есть некий элемент гармонии. Асимметрия – понятие, противоположное симметрии, отражающее разупорядочение системы, нарушение равновесия, что связано с изменением и развитием системы. Из определений симметрии и асимметрии следует, что развивающаяся динамическая система должна быть обязательно несимметричной и неравновесной. Современное естествознание представлено целой иерархией симметрий, которая отражает свойства иерархии уровней организации материи. Выделяют различные формы симметрий: калибровочные, пространственно-временные, изотопические, перестановочные, зеркальные и т. д. Все эти виды симметрий подразделяются на внешние и внутренние. Внутреннюю симметрию невозможно наблюдать, она скрыта в математических уравнениях и законах, выражающих состояние исследуемой системы. Пример тому – уравнение Максвелла, описывающее взаимосвязь электрических и магнитных явлений, или теория гравитации Эйнштейна, связывающая свойства пространства, времени и тяготения. Внешняя симметрия (пространственная или геометрическая) представлена в природе большим многообразием. Это симметрия кристаллов, молекул, живых организмов. Для чего нужна симметрия живому и как она возникла? Живые организмы формировали свою симметрию в процессе эволюции. Зародившиеся в водах океана, первые живые организмы имели правильную сферическую форму. Внедрение организмов в другие среды заставляло их адаптироваться к новым специфическим условиям. Один из способов такой адаптации – симметрия на уровне физической формы. Симметричное расположение частей органов тела обеспечивает живым организмам равновесие при движении и функционировании, жизнестойкость и адаптацию. Довольно симметричны внешние формы крупных животных, человека. Растительный мир организмов также наделен симметрией, что связано с борьбой за свет, физической устойчивостью к полеганию (закон всемирного тяготения). Например, конусообразная крона ели имеет строго вертикальную ось симметрии – вертикальный ствол, утолщенный книзу для устойчивости. Отдельные ветви симметрично расположены по отношению к стволу, а форма конуса способствует рациональному использованию кроной светового потока солнечной энергии, увеличивает устойчивость. Таким образом, благодаря притяжению и законам естественного отбора ель выглядит эстетически красиво и «построена» рационально. Внешняя симметрия насекомых и животных помогает им держать равновесие при движении, извлекать максимум энергии из окружающей среды и рационально ее использовать. В физических и химических системах симметрия приобретает еще более глубокий смысл. Так, наиболее устойчивы молекулы, обладающие высокой симметрией (инертные газы). Симметрия молекул определяет характер молекулярных спектров. Высокая симметрия характерна для кристаллов. Кристаллы – это симметричные тела, их структура определяется периодическим повторением в трех измерениях элементарного атомного мотива. Асимметрия также широко распространена в мире.Внутреннее расположение отдельных органов в живых организмах часто асимметрично. Например, сердце расположено слева у человека, печень – справа и т. д. Л. Пастер, французский микробиолог и иммунолог, выделил левые и правые кристаллы винной кислоты. Молекула ДНК асимметрична – ее спираль всегда закручена вправо. Все аминокислоты и белки, входящие в состав живых организмов, способны отклонять поляризованный луч света влево. В отличие от молекул неживой природы, где левые и правые молекулы встречаются часто, то есть носят в основном симметричный характер, молекулы органических веществ характеризуются ярко выраженной асимметрией. Придавая большое значение асимметрии живого, В. И. Вернадский предполагал, что именно здесь проходит тонкая граница между химией живого и неживого. Л. Пастер также, основываясь на этих признаках, провел границу между живым и неживым. Следует также отметить, что живые организмы (растения) в процессе жизнедеятельности поглощают из окружающей среды (почвы) в значительной степени химические соединения минеральной пищи, молекулы которой симметричны и в своем организме превращают их в асимметричные органические вещества: крахмал, белки глюкозу и т. д. Симметрия молекул пищевых веществ живого организма согласуется с симметрией молекул самого организма. В противном случае пища будет несовместимой (ядовитой). Структура компонентов клетки также асимметрична, что имеет большое значение для ее обмена веществ, энергетической обеспеченности, а также способствует более высокой скорости протекания биохимических реакций. Симметрия и асимметрия – это две полярные характеристики объективного мира. Фактически в природе нет чистой (абсолютной) симметрии или асимметрии. Эти категории – противоположности, которые всегда находятся в единстве и борьбе. Там, где ослабевает симметрия, возрастает асимметрия, и наоборот. На разных уровнях развития материи ей свойственна то симметрия, то асимметрия. Однако эти две тенденции едины, а их борьба носит абсолютный характер. Эти категории тесно связаны с понятиями устойчивости и неустойчивости систем, порядка и беспорядка, организации и дезорганизации, отражающими свойства систем и динамику развития, а также взаимосвязь между динамическими и статическими законами. Полагая, что равновесие есть состояние покоя и симметрии, а асимметрия приводит к движению и неравновесному состоянию, можно считать, что понятие равновесия играет в биологии не менее важную роль, чем в физике. Принцип устойчивости термодинамического равновесия живых систем характеризует специфику биологической формы движения материи. Именно устойчивое динамическое равновесие (асимметрия) является ключевым принципом постановки и решения проблемы происхождения жизни. Самоорганизация природы Случайные отклонения параметров системы от равновесия (флуктуации) играют очень важную роль в функционировании и существовании системы. Один из двух типов случайностей имеет направленный, созидательный и эволюционный характер, а второй создает неопределенность и играет деструктивную роль, отсекая все то лишнее и ненужное, что не укладывается в рамки фундаментальных законов и принципов бытия. Вследствие такого совместного действия возникает неустойчивость в системе, которая может служить толчком к возникновению из беспорядка (хаоса) определенных новых структур. Последние при благоприятных условиях переходят во все более устойчивые и упорядоченные аттракторы (от лат. attractio – притяжение). В дальнейшем их самопроизвольное (спонтанное) образование идет за счет внутренней перестройки самой системы и согласованного кооперативного взаимодействия всех ее частей и элементов в соответствии с требованиями окружающей среды. Самоупорядочивание системы всегда связано со снижением энтропии в ней. Случайность и дезорганизация на атомно-молекулярном уровне здесь выступают в качестве созидающей силы, которая упорядочивает состояние системы уже на макроуровне и объединяет ее элементы в единое целое. Это явление получило название самоорганизации. Следовательно, самоорганизация – это процесс спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка (хаоса) в открытых неравновесных системах. За счет роста флуктуаций при поглощении энергии из окружающей среды система достигает некоторого критического состояния и переходит в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и порядка по сравнению с предыдущим. Таким образом, возникающая из хаоса упорядоченная структура (аттрактор) является результатом конкуренции множества всевозможных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции идет самопроизвольный отбор наиболее адаптивной в сложившихся условиях структуры. На такой концепции построена модель универсального эволюционизма, где дарвинское учение об изменчивости, наследственности и естественном отборе получило фундаментальное методологическое обоснование. Изменчивость окружающего мира обусловливается случайностью и неопределенностью как фундаментальным свойством материи. Наследственность, от которой зависит настоящее и будущее, определяется прошлым. Степень зависимости от прошлого определяется «памятью» системы, которая теоретически может принимать значения в диапазоне от нуля (хаотические образования) до максимально бесконечной величины (жесткие причинно обусловленные системы). Однако реальные системы имеют некоторый небольшой диапазон «памяти», определяемый уровнем их организации. Изменчивость дает возможность появиться многообразию различных вариантов развития систем, но наследственность значительно ограничивает их число. Она отбирает только жизненные, наиболее целесообразные и устойчивые в сложившейся обстановке структуры, устраняя при этом все нежизненные и неустойчивые. Прошедшие отбор и передающиеся по наследству жизненные структуры постепенно под влиянием важных факторов накапливают определенные количественные изменения, что ослабляет их динамическую устойчивость (гомеостаз). Эти количественные изменения могут перейти в качественные путем скачка. При этом система на некоторое время оказывается в неустойчивом, флуктуационном состоянии, теряет «наследственную память». Характер ее последующего развития будет определяться случайными, непредвиденными факторами, действующими в это время на систему. При этом у системы для выхода из флуктуации есть только два пути: либо деградация и разрушение, либо самоорганизация, усложнение и эволюция. Подобный сценарий развития материи идет на всех ее структурных уровнях как череда сменяющих друг друга постоянных изменений. Таким образом, порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают как диалектическое единство, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы. Однако самым трудным положением самоорганизации являются вопросы, как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса как наиболее вероятного с энергетической точки зрения в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (как требующего более высокой энергии); как и благодаря чему происходит ее самоорганизация (самоупорядочение). Пока еще в современной науке на эти вопросы ответа нет. Следует отметить, что в научном мире и в научной литературе одни авторы используют термин «самоорганизация», а другие – «синергетика» (от греч. synergeia – сотрудничество, содружество). Фактические значения слов «самоорганизация» и «синергетика» существенно различаются, но их концептуальный смысл одинаков. Синергетика – область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизации. Синергетика – это теория самоорганизации систем различной природы, предметом которой они являются. Сама идея самоорганизации (синергетики) имела место еще в классической науке XVIII–XIX вв. Это космогоническая гипотеза Канта–Лапласа, теория эволюции Ч. Дарвина, теория поведения термодинамических систем Максвелла-Больцмана. Однако лишь только в 70-е гг. XX в., когда были накоплены большой теоретический материал и практический опыт, появилась возможность детального исследования открытых, неравновесных систем, анализа и описания механизмов и закономерностей их развития. Основные положения теории синергетики разработаны в трудах Г. Хакена, Г. Николиса, И. Пригожина в 70-х гг. XX в. Сам термин «синергетика» в научный обиход ввел Г. Хакен, немецкий физик, профессор Штутгартского университета. Большую роль в становлении теории самоорганизации сыграли работы наших соотечественников: В. Вернадского, Б. Белоусова, В. Жаботинского, А. Руденко, Ю. Климантовича, А. Колмогорова. Современное естествознание идет по пути теоретического моделирования сложнейших природных систем, способных к саморазвитию и самоорганизации. На идеях синергетики сформировалось современное миропонимание. Природа сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся, нелинейная, открытая сложноорганизованная иерархическая система. Учитывая, что в природе и обществе существует огромное количество реальных систем, которые подчиняются законам синергетики, необходимо понять, что создание синергетической картины мира по сути своей является научной революцией, по своему статусу сравнимой с открытием строения атома, созданием генетики и кибернетики. Идеи синергетики стали основой для сближения традиционной европейской мысли об уровнях организации материи с идеями древней восточной философии о глобальной взаимосвязи и взаимозависимости всего сущего, о взаимодействии потенциального и реального. Открытые системы Основным понятием термодинамики является понятие энтропии как меры способности теплоты к превращению. Энтропия характеризует меру внутренней неупорядоченности системы. Она свойственна изолированным, то есть закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии с окружающей средой. По отношению к закрытым системам были сформулированы и два закона (начала) термодинамики. Качественное отличие закрытой (замкнутой) системы от открытой в том, что в первой тоже может сохраняться неравновесная ситуация, однако до тех пор, покуда система за счет своих внутренних процессов не достигнет равновесия, при котором энтропия будет максимальной. Иное дело в открытых системах, которые обмениваются энергией с окружающей средой. Здесь за счет прихода энергии извне могут возникать диссипативные структуры с гораздо меньшей энтропией. Иначе говоря, система, самоорганизуясь в новом стационарном состоянии, уменьшает свою энтропию, она как бы «сбрасывает» ее избыток, возрастающий за счет внутренних процессов, в окружающую среду. В живых организмах это происходит за счет дыхания, экскреции. Открытая система как бы «питается» отрицательной энтропией (негэнтропией), выбрасывая наружу положительную. При этом возникают новые устойчивые неравновесные, но близкие к равновесию состояния. При таком неравновесии рассеивание энергии минимально и интенсивность роста энтропии оказывается меньше, чем в других близких состояниях. Здесь имеет место принцип производства минимума энтропии. Открытые системы – это необратимые системы. Для них весьма важен фактор времени. Принцип производства минимума энтропии В энергетических процессах открытых систем имеет место принцип Пригожина—Гленсдорфа – принцип производства минимума энтропии. Здесь под производством энтропии понимают отношение изменения энтропии dS к единице объема системы. Производством энтропии по этому принципу можно определить степень упорядоченности. Как известно, изменение энтропии выражается уравнением dS=dSi+dSe где dS – полное изменение энтропии в системе; dSi – изменение энтропии, связанное с происходящими внутренними необратимыми процессами в системе; dSev – энтропия, перенесенная из внешней среды через границы системы. Из уравнения следует, что в изолированной системе энтропия dSe равна нулю, а внутренняя энтропия dSi>0, так как dSe может компенсировать dSi, произведенную внутри системы, или быть больше ее. Из этого следует, что dSe<0. Таким образом, энтропия в систему не поступает, а только может из нее выводиться. Условие dS=0 означает стационарное состояние, а dS<0 – усложнение и рост системы. Изменение энтропии при этом соответствует соотношению dSe