".„Естьчто-то неправдоподобное в динамике эволюции человека, когда прыгающее с веткина ветку животное, в короткий срок сумело стать двуногим, изобрести цветнойтелевизор и даже слетать в космос".
В самом-самом начале, когда ещeничего не было… так ничего и не случилось. Для того чтобы хоть что-топроизошло, должно хоть что-нибудь быть. Поэтому, откуда взялись мельчайшиечастицы, не имеющие массы покоя, типа нейтрино, – неизвестно, но именно такиечастицы, сталкиваясь, теряя энергию движения и объединяясь, до сих пор даютначало тому, что мы называем кварками, квантами, альфа;, бета и т.д.- частицами,корпускулами и так далее и тому подобное. У этих образований тоже иногдаотсутствует масса покоя, но они значительно спокойнее и уже они являютсястроительным материалом для элементов таблицы Менделеева.
Откуда взялисьзвезды, солнце, луна, моря, горы? Что было до нас и что будет после? Что движетжизнью на земле? Подобные вопросы возникают в душе каждого человека. Ученыебосновывают свои теории накопив солидный научный потенциал знаний и хорошосистематизировав его. «Научная картина мира» весьма распространна средисовременных людей, и именно эта точка зрения будет здесь рассмотрена.
Проблема возникновения жизни на Земле издавна недает многим покоя. С тех пор, как человек начал задаваться вопросом, откудапроизошло все живое прошло много лет, и за все это время рассматривалосьмножество гипотез и предположений о зарождении жизни. Религиозная теория,теория самозарождения, теория панспермии, теория вечного существования жизни…Человечество до сих пор не может до конца разгадать эту загадку. За основнуютеорию возникновения жизни, тем не менее, принимается теория, предложенная А.И. Опариным в первой половине ХХ века. Она основана на предположении охимической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем — кбиологической эволюции. Образование клетки явилось сложнейшим явлением. Но онои положило начало развитию жизни и всему ее многообразию. Итак, с чего же всеначиналось?
Жизньзаполняет все уголки нашей планеты. Океаны, моря, озера, реки, горы, равнины,пустыни, даже воздух населены живыми существами. Миллиарды лет жизнь шествуетпо Земле как уникальная самоорганизующаяся система. Она знала периоды расцвета,исторических испытаний и тяжелых кризисов, прежде чем достигла в наши днисвоего великолепного богатства. Сегодня науке известно около 4,5 млн.видов животных и растений. Предполагается, что за всю историю жизни на Землесуществовало около 4,5 млрд. видов животных и растений.
Какже появились эти виды? Во все ли эпохи истории Земли растительный и животныймир был таким, как сейчас?
Длянауки очевидно, что современный животный и растительный мир представляет собойлишь обложку той великой книги, которую изучает палеонтология. Окаменевшие останкиживших некогда существ, которые содержатся в земных пластах, записали историюсвоей эволюции и ее связь с изменениями окружающей среды.
Снезапамятных времен происхождение жизни было загадкой для человечества. Смомента своего появления благодаря труду человек начинает выделяться среди остальныхживых существ. Но способность задавать себе вопрос «откуда мы?» человекполучает сравнительно недавно — 7-8 тыс. лет назад, в начале нового каменноговека (неолита). Первые примитивные формы веры в нереальные, сверхъестественныеили божественные силы, существовавшие уже 35-40 тыс. лет назад, расширяются иукрепляются. Человек понимает, что он смертен, что одни рождаются, а другиеумирают, что он создает орудия труда, обрабатывает землю и получает ее плоды. Ачто же лежит в основе всего, кто первосоздатель, кто создал землю и небо,животных и растения, воздух и воду, день и ночь, и, наконец, самого человека?
Первымвозникло представление о сотворении мира как о «творческом акте» бога, и этотмиф лежит в основе всех религий. В Библии говорится: «В начале Бог создал небои землю»; на четвертый день Бог распоряжается: «Да произведет вода обильноемножество одушевленных гадов, и птицы да летают над землей в небесномпросторе». Вторая часть творения: «И создал Бог Человека по своему образу иподобию». И наконец: «Господь Бог создал женщину из ребра, которое взял отчеловека, и привел ее к человеку» (Бытие, 1:2-31; 2:21-22).
Каксборник различных по времени написания и по содержанию произведенийдревнееврейской культуры Библия (ее древнейшая часть известна с IXв.до н.э.) заимствовала представления о сотворении мира из древневавилонских идревнеегипетских мифов. Эти мифы — продукт чистой фантастики и мистицизма, ноони показывают нам, какими были древние представления о происхождении мира.Впрочем, они властвовали умами людей на протяжении тысячелетий; многие верят вних даже и сегодня.
Древнегреческиефилософы Милетской школы (VIII-VIвв. до н.э.) принимали идею возникновения живых существ из воды либо изразличных влажных или гниющих материалов, что было результатомнепосредственного влияния вавилонской культуры. Но еще Фалес (624-547 гг. дон.э.) оспаривал мифологические представления и создалстихийно-материалистическое мировоззрение с элементами диалектики. Согласно Фалесуи его последователям, возникновение живых существ из воды произошло безкакого-либо вмешательства духовных сил; жизнь есть свойство материи.
Яркоематериалистическое развитие идеи самозорождения живых существ осуществляетсяпозже в трудах Демокрита (460-370 гг. до н.э.) и Эпикура (341-270 гг. до н.э.).По мнению этих философов, возникновение живых существ — естественный процесс,результат природных сил, а не «акта творения» внешних сил.
Аристотель(384-322 гг. до н.э.) признавал бога за высшую форму и перводвигатель. СогласноАристотелю, организмы могут происходить от организмов, но вместе с тем могутвозникать и от неживой материи. Он считает, что материя лишь пассивное начало,возможность, которая может осуществиться только через определенную форму. Бытиесодержит внутреннюю цель развития (энтелехию). По Аристотелю, именно энтелехиякак целеустремленная внутренняя сущность вдыхает жизнь в материю. ВзглядыАристотеля почти на 2000 лет определяют судьбу идеи о самозарождении жизни.
Тольков середине XVII в. тосканский врачФранческо Реди (1626-1698) предпринимает первые опыты по самозарождению. В 1668г. он доказал, что белые черви, которые встречаются в мясе, являются личинкамимух; если мясо или рыбу закрыть, пока они свежие, и предотвратить доступ мух,то они, хотя и сгниют, но не произведут червей.
Сегодняопыты Реди выглядят наивными, но они представляли собой первый прорыв фронтамистических представлений о формировании живых существ.
Почтичерез 200 лет после Реди в 1862 г. великий французский ученый Луи Пастер(1822-1895) публикует свои наблюдения по проблеме произвольного самозарождения.Он доказывает, что внезапное возникновение («спонтанное самозарождение»)микробов в различных видах гниющих настоек или экстрактов не есть возникновениежизни. Гниение и брожение — это результат жизнедеятельности микроорганизмов,чьи зародыши внесены извне. Микробы — сложно устроенные организмы и могутпроизводить себе подобные существа, то есть живое происходит от живого. Как ученый,который доверяет только результатам научных опытов, Пастер не делает глубокихвыводов о происхождении жизни. Однако его исследования окончательно разрушиливековые предрассудки о спонтанном самозарождении.
Крушениеучения о самозарождении привело некоторых известых ученых к мысли, что жизньникогда не возникала, а, как материя или энергия, существовала вечно. Согласноэтому представлению, «зародыши жизни» блуждают в космическом пространстве дотех пор, пока не попадают на подходящую по своим условиям планету — там они идают начало биологической эволюции. Эту идею, высказанную еще в Vв. до н.э. греческим философом Анаксагором, поддерживали Герман ван Гельмгольц(1821-1894) и Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин; 1824-1907).
Гельмгольцговорил, что во Вселенной должно существовать много других миров, несущихжизнь, которые время от времени разрушаются при столкновении с другимикосмическими телами, а их обломки с живыми растениями и животными рассеиваютсяв пространстве.
Этаидея была тщательно разработана в 1908 г. шведским химиков Сванте Аррениусом(1859-1927), который назвал свою теорию панспермией. Развивая идеи Гельмгольцаи Кельвина, он высказал несколько собственных соображений, предположив, чтобактериальные споры и вирусы могут уноситься с планеты, где они существовали,под действием электростатических сил, а затем перемещаться в космическое пространствопод давлением света звезд. Находясь в космическом пространстве, спора можетосесть на частицу пыли; увеличив тем самым свою массу и преодолев давлениесвета, она может попасть в окрестности ближайшей звезды и бужет захвачена однойиз планет этой звезды. Таким образом, живая материя способна переноситься спланеты на планету, из одной звездной системы в другую.
Вовторой половине XIX в. такжевысказывается предположение, что жизнь возникла в первичном океане изнеорганического вещества в результате природного процесса.
3мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества молодой советскийученый А. И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни.Его доклад «О возникновении жизни» стал изходной точкой нового взгляда навечную проблему «откуда мы пришли?». Пять лет спусля независимо от Опаринасходные идеи были развиты английским ученым Дж. Холдейном. Общим во взглядахОпарина и Холдейна является попытка объяснить возникновение жизни в результатехимической эволюции на первичной Земле. Оба они подчеркивают огромную рольпервичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался«первичный бульон», а кроме того, и роль энзимов — органических молекул,которые многократно ускоряют нормальный ход химических процессов. В дополнениек этому Холдейн впервые высказывает идею, что первичная атмосфера на Земле,«вероятно, содержала очень мало или вообще не содержала кислорода».
В1952 г. Гарольд Юри (1893-1981) самостоятельно пришел к выводу, что атмосферамолодой Земли имела восстановленный характер, то есть к завершению процессаформирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как ее основнымисоставляющими были водород и полностью восстановленные формы углерода, азота икислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не моглоудержать легкий водород, — и он постепенно улетучился вкосмическое пространство. Вторичным следствием потери свободного водорода былопостепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака — до газообразногоазота, которые через определенное время превратили атмосферу извосстановительной в окислительную. Юри предполагал, что именно в периодулетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточномокислительно-восстановительном состоянии, на Земле могло образоваться в большихколичествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому,представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. Врезультате возникла жизнь в ее самой примитивной форме.
Первоенеобходимое условие возникновения жизни имеет общекосмический характер. Оносвязано с единой химической основой Вселенной. Жизнь развивается на этой единойоснове, отражающей как количественные, так и качественные особенности отдельныххимических эелементов. Это допущение приводит к заключению, что на любойпланете во Вселенной, которая похожа на нашу по массе и расположениюотносительно центральной звезды, может возникнуть жизнь. «Согласно представлениямвидного американского астронома Х.Шепли, во Вселенной имеется 108космических тел (планет или звезд-лилипутов), на которых может возникнуть исуществовать жизнь».[1]
Главноеусловие возникновения жизни имеет планетарную причину и определяется массойпланеты, то есть жизнь, подобная земной, могла возникнуть и развиться напланете, масса которой имеет строго определенную величину. Если масса планетыбольше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции,что повышает ее температуру, и она светится, как звезда.
Изпланет Солнечной системы кроме Земли подходящую массу имеют Венера и Марс, нотам отсутствуют другие условия.
Особенноважным условием возникновения жизни является наличие воды. Значение воды дляжизни исключительно. Это обусловлено ее специфиескими термическимиособенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширениемпри замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др. Эти особенностиобусловливают круговорот воды в природе, который играет очень важную роль вгеологической истории Земли.
Сейчасимеются достаточно интересные сведения о наличии органических соединений воВселенной. Источники этих сведений — естественные посланцы космоса на Землю,метеориты.
Метеориты- это малые космические тела, которые падают на Землю. Они являются осколкамиастероидов. Масса астероидов обычно превышает 50 кг. По составу различаюткаменные, железные и железнокаменные метеориты. По особенностям структуры иналичию сферических образований (хондр) некоторые каменные метеориты называютсяхондритами. Особый интерес представляют углистые хондриты, которые составляют5% от общего числа метеоритов, ежегодно падающих на поверхность Земли.
Этомуесть две причины:
· вероятностьтого, что при их изучении будут получены данные о добиологической эволюцииорганических молекул;
· неясностьпроисхождения ряда элементов их структуры — до последнего времени некоторыеисследователи считали минеральные образования в хондритах фосфатизированнымимикроорганизмами.
Этиинтересные объекты представляют собой не претерпевшие существенных изменений«обломки протосолнечной туманности». Они считаются первичными, посколькуобразовались одновременно с Солнечной системой. Метеориты слишком малы, чтобыиметь собственную атмосферу, но по относительному содержанию нелетучихэлементов углистые хондриты весьма сходны с Солнцем. Их минеральный составсвидетельствует о том, что они сформировались при низкой температуре и действиювысоких температур никогда не подвергались. Они содержат до 20% воды (связаннойв виде гидратов минералов) и до 10% органического вещества.
Приисследовании двух метеоритов — первый упал в 1950 году возле Мори (шт.Кентукки, США), а второй — у Мерчисона (шт. Виктория, Австралия) в 1969 году —в их составе обнаружены отдельные аминокислоты — строительный материал белков вживых организмах. В метеорите Мерчисон открыты и жирные кислоты, из которыхпостроены жиры в живых тканях.
Изаминокислот идентифицированы глутаминовая кислота, пролин, глицин, саркозин,аланин, валин и 2-метилаланин, а из жирных кислот — 17 видов.
Жирныекислоты земных организмов имеют четное количество углеродных атомов тогда какжирные кислоты с нечетным количеством атомов углерода нехарактерны для живыхтканей на Земле. При химических реакциях, которые осуществляются без участияживых существ или веществ биогенного происхождения, образуется приблизительноравное количество жирных кислот с четным и нечетным количеством атомовуглерода. То же показывают и результаты анализа метеорита Мерчисон.
Имеются убедительные свидетельства в пользу того,что аминокислоты и углеводородные соединения в метеорите Мерчисон имеют явноэндогенное происхождение и не являются результатом внешнего загрязнения:
· преобладаниеглицина над другими аминокислотами;
· положительныевеличины показателя 13С;
· наличиеаминокислот, которые несвойственны белкам.
Впериод с 1968 по 1970 гг. с помощью радиоспектрометрии были открыты органическиемолекулы в межзвездном пространстве, что, безусловно, пополнило наши знания оборганической химии Вселенной. Были опубликованы первые сообщения об открытииводы, формальдегида и аммиака в отдельных областях нашей Галактики.
ГидроксилОН, формальдегид Н2СО и окись углерода СО — самые распространенныемолекулы в межзвездной среде. Они обнаруживаются повсюду в Галактике, тогда какв отдельных межзвездных областях встречаются и другие соединения. В нашейГалактике существует около 3000 таких туманностей, плотность которых большеплотности межзвездной среды; молекулы здесь возникают чаще. Атомы углерода играютглавную роль в образовании органических молекул, которые имеют в живых организмахосновное значение.
Притаком положении возникновение жизни выглядит неизбежным. В туманностяхкосмического пространства уже при образовании звезд и планет возникаютмолекулы, которые приводят к формированию более сложных молекул аминокислот,жирных кислот, пуринов, пиримидинов и других главных составных элементов жизни.
Теорияхимической эволюции — современная теория происхождения жизни — также опираетсяна идею самозарождения. Однако, в основе ее лежит не внезапное возникновениеживых существ на Земле, а образование химических соединений и систем, которыесоставляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей Земли, преждевсего химические реакции, протекавшие в примитивной атмосфере и в поверхностномслое воды, где, по всей вероятности, концентрировались легкие эелементы,составляющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечнойэнергии. Эта теория пытается ответить на вопрос: каким образом в ту далекуюэпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую системуорганические соединения?
Большинствосовременных специалистов убеждены, что возникновение жизни в условиях первичнойЗемли есть естественный результат эволюции материи. Это убеждение основано надоказанном единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простыхи самых распространенных во Вселенной атомов.
Исключительноеморфологическое разнообразие жизни (микроорганизмы, растения, животные)осуществляется на достаточно единообразной биохимической основе: нуклеиновыекислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.
Основныехимические элементы, из которых посторена жизнь, — это углерод, водород,кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своегостроения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловленосамой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода иазота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения сдвух- и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность.Образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизнивообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода.
Другиедва биогенных элемента — сера и фосфор — присутствуют в относительно малыхколичествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этихэлементов также дают возможность образования кратных химических связей. Серавходит в состав белков, а фосфор — составная часть нуклеиновых кислот.
Кромеэтих шести основных химических элементов в постороении организмов в малыхколичествах участвуют натрий, калий, магний, кальций, хлор, а также микроэлементы:железо, марганец, кобальт, медь, цинк и небольшие следы алюминия, бора, ванадия,иода и молибдена. Следует отметить и некоторые исключительно редкие атомы,которые встречаются случайно и в ничтожных количествах.
Следовательно,химическая основа жизни разнообразится еще 15 химическими элементами, которыевместе с шестью основными биогенными элементами участвуют в различныхсоотношениях в строении и осуществлении функций живых организмов. Этот фактособенно показателен в двух отношениях: 1) как доказательство единствапроисхождения жизни и 2) в том, что сама жизнь, являющаяся результатом самоорганизацииматерии, включила в эволюцию биологических макромолекул не только все самыераспространенные элементы, но и все атомы, которые особенно пригодны дляосуществления жизненных функций (например, фосфор, железо, иод и др.). Как отмечаетсоветский ученый М.Камшилов, «для осуществления функций жизни важны химическиесвойства ее атомов, к которым, в частности, относятся квантовые особенности».Не только структура, обмен веществ, но даже и механические действия живыхорганизмов зависят от составляющих их молекул. Это, однако, не означает, чтожизнь может быть сведена просто к химическим закономерностям.
Жизнь— одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особеннохарактерны обмен веществ и воспроизведение, а особенности более высоких уровнейее самоорганизации обусловлены строением более низких уровней.
Современнаятеория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулымогли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Сложнуюхимическую эволюцию обычно выражают такой обобщенной схемой: атомы ®простые соединения ®простые биоорганические соединения ®макромолекулы ®организованные системы.Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когдаобразовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние —нуклеосинтез — быстро переходит в процесс образования различных по сложностихимических соединений. Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со всенарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и конкретными планетарнымипредпосылками.
Издавнабыло известно, что химики могут синтезировать органические вещества, но идеяпостановки отдельных опытов по синтезу органических веществ путем воспроизведенияусловий первичной Земли представлялась не менее фантастичной, чем многиегипотезы. Разумеется, никто не считает, что можно точно воспроизвести условиягигантской естественной химической лаборатории, какой была Земля 4,5 — 5 млрд.лет назад. Речь идет о приблизительном моделировании теоретическипредполагаемых условий первичной Земли: бескислородная атмосфера, наличиеисходных химических соединений: метана, воды, аммиака и источника (источников)энергии.
Первыйцеленаправленный опыт по синтезу органических молекул, пригодных для развитияжизни, из предполагаемых исходных компонентов ранней земной атмосферы былпроведен В.Гротом и Х.Зюссом в 1938 году. После облучения ультрафиолетовымилучами газовой смеси СО2 и Н2О они получили формальдегиди глиоксал. По мнению Грота и Зюсса, результаты этих опытов объясняютобразование некоторых органических соединений, «которые, вероятно, былинеобходимой предпосылкой эволюции органической жизни».
ПозжеУ. Харрисон, М. Кальвин и другие (1951) подвергают экспериментальной проверкеидеи Опарина и Холдейна. Они облучали a-частицами водныерастворы, содержащие ионы двухвалентного железа, которые находились вравновесии с газовой смесью двуокиси углерода и водорода. Полученыформальдегид, муравьиная и янтарная кислоты. В 1953 году Стэнли Миллер,аспирант-астрофизик знаменитого Г. Юри в Чикагском университете проводит опыт,который позже был назван классическим. Газовая смесь метана, аммиака, водяныхпаров и водорода (доступа свободного кислорода в колбу не было) подвергаласьМиллером воздействию сильных электрических разрядов, при этом получалисьаминокислоты, сахара и ряд других органических соединений. Огромное значениеопыта Миллера состоит в доказательстве возможности неорганического путиобразования белковоподобных молекул в условиях первичной Земли.
Опыт Миллера обогатил науку и послужил сильнымтолчком к новым исследованиям. Т. Павловская и А. Паскинский в Институтебиохимии АН СССР своими опытами и термодинамическими расчетами доказаливозможность образования сложных органических веществ в условиях первичнойЗемли. А.Уилсон, добавляя серу к исходной смеси Миллера, получил крупныеполимерные молекулы с 20 и более атомами углерода. С. Поннамперума использовалв опытах ультрафиолетовую лампу как источник энергии — ведь в условиях молодойЗемли ультрафиолетовое излучение давало основную энергию. Поннамперума сумелполучить не только аминокислоты и пурины (строительные блоки соответственно длябелков и нуклеиновых кислот), но и синтезировал эти молекулы в полимеры. С.Фоксиз Института молекулярной эволюции в Майами синтезировал почти всеаминокислоты, без которых жизнь была бы невозможна. Фокс «сварил» изаминокислот так называемые «термические протеноиды», близкие по составу кбелкам. При этом протеноиды превратились в приготовленном Фоксом бульоне втонкие капли, подобные коацерватам Опарина. Именно с таких образованийначалась, согласно Опарину, жизнь на Земле.
Список экспериментальных исследований очень велик.Основные их результаты показывают, что химическая эволюция не плод досужегоума, а закономерный естественный процесс, который закладывает основы жизни.
Первые препятствия, которые встретились на путиразвития органических молекул, это новые условия на молодой Земле. Наряду свлиянием космических факторов (жизнь от своего возникновения до настоящеговремени еще откликается на солнечные бури!) появляются новые специфическиепланетарные факторы: развитие литосферы, атмосферы и гидросферы.
Это было не только простым препятствием перед раннейэволюцией; жизнь сама создала область своего существования — биосферу.Некоторые специалисты правомерно считают, что родоначальником жизни был непервый организм, а первая биосфера. «Жизнь не есть внешне случайное явление наземной поверхности, — пишет видный советский ученый академик В.И.Вернадский. — Она связана теснейшим образом со строением земной коры, вмешивается в еемеханизм и выполняет функции величайшего значения в этом механизме». В своеймиллиардолетней истории организмы связаны сложной цепью взаимодействия междусобой и в то же время как целое и как отдельные единицы находятся в тесномвзаимодействии с Землей: земной поверхностью, водными бассейнами, воздухом. Смомента своего возникновения живые организмы начинают играть исключительноважную и разнообразную геологическую роль. Они выступают не только как великиеконструкторы, но и как замечательные двигатели и регуляторы ряда сложных геологическихи геохимических процессов.
Земля как отдельная планета образовалась на первом,космическом, этапе химической эволюции. На нем создается первый уровеньорганизации в сложной системе Земли. Этот этап продолжался около одногомиллиарда лет. Второй этап тесно связан с космическим, от которого его трудноотделить. В начале этого этапа (первые 100 миллионов лет) Земля образует более80% своей массы. Этот этап не просто время, а в полном смысле словазнаменательная эпоха, когда образуются первые минералы, первые слои иформируется макроструктура планеты с ее геосферами.
Итак, земная кора уже твердая, но все еще тонкая иподвержена размягчению в отдельных областях вследствие тектоническихнапряжений. Она состоит главным образом из соединений кремния, алюминия,железа, кальция, магния, натрия, калия, а также ряда малозначимых соединений, втом числе и органических веществ. В мантии под корой вследствие гравитационногоразделения накапливаются преимщественно силикаты железа и магния.
Роль земной коры для молекулярной эволюции оченьвелика. Из нее организмы черпают металлы и другие неорганические и органическиекомпоненты, необходимые для построения тела и обмена веществ.
Земная кора дает опору жизни, но ее колыбельюстановятся первые водные бассейны. Действительно, существуют некоторыегипотезы, согласно которым жизнь возникла не в водном бассейне, а на земнойповерхности в пыли, образованной микрометеоритным «дождем».
Жизнь, такая, как мы ее знаем, не могла возникнутьбез свободной воды. Для живой материи необходима именно свободная, а несвязанная в гидраты вода или лед, которые обнаруживаются в метеоритах или нажругих планетах.
Наличие воды в телах организмов указывает на ееогромное значение для жизненных процессов. Низшие организмы содержат 95-99%воды, а высшие — 75-80%. При уменьшении ее количества до определенного уровнянаступает смерть.
Трудно описать состояние гидросферы в первые 100-200миллионов лет существования Земли. По мнению многих, на молодой Земле былооколо одной десятой массы воды, содержащейся в современном океане. Остальныедевять десятых образовались позже за счет дегазации внутренних частей Земли.Именно в результате выделения газа и пара из мантии сформировались гидросфера иатмосфера. В веществе мантии содержится 0,5% воды, но даже 10% этого количествадостаточно для образования всего сегодняшнего объема океана. Вероятно,океанская вода с самого начала была соленой. При дегазации вещества мантии водынасыщались анионами хлора, брома и других элементов, а также СО2, h3S,SO2.Это создавало легкий кислотный характер праокеану, который нейтрализовался засчет щелочных компонентов, вызываемых дождями из базальтовой коры ивыносившихся реками в океан. Это катионы натрия, магния, кальция, калия идругих элементов.
Ранняя эволюция гидросферы (океаны, моря,континентальные бассейны) протекала при отсутствии газообразного кислорода. Вэтих условиях и при наличии бескислородной атмосферы могли возникнуть толькоанаэробные организмы.
Океанологи установили, что органическое веществовстречается во взвешенном состоянии в виде отдельных частиц гораздо чаще, чемсчиталось раньше. Полагают, что основную роль в формировании таких скопленийорганических веществ играет образование пены в океане. Органические веществаобразуют тонкую мономолекулярную пленку на поверхности океана, котораяразрушается волнами. Взбитые этими волнами они приобретают сферическую форму ипадают снова в воду, при этом они могут погрузиться на некоторую глубину исохраняться там в виде мелких коацерватных капель.
Коацерватную гипотезу развил в 1924 году Опарин.Коацервация — это самопроизвольное разделение водного раствора полимеров нафазы с различной их концентрацией. Коацерватные капли имеют высокую концентрациюполимеров. Часть этих капель поглощали из среды низкомолекулярные соединения:аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярногосубстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизмавнутри протобионтов («протобионты» по терминологии Опарина — первые белковыеструктуры). Обладавшие метаболизмом капли включали в себя из окружающей средыновые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали размера,максимально допустимого в данных физических условиях, они распадались на болеемелкие капельки, например, под действием волн. Мелкие капельки вновь продолжалирасти и затем образовывать новые поколения коацерватов.
Постепенное усложнение протобионтов осуществлялосьотбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшемиспользовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причинасовершенствования коацерватов до первичных живых существ — центральноеположение в гипотезе Опарина.
Процесс концентрации органических веществ можетпроисходить при отливах, испарении воды в лагунах, а также при волнении (какотмечено выше). Научные данные все больше подтверждают, что жизнь возникла не воткрытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболееблагоприятные условия для концентрации органических молекул и образованиясложных макромолекулярных систем.
Биохимическая эволюция начинается с моментаобразования земной коры, то есть около 4,5 млрд. лет назад. Ее корни уходят вранний космический этап химической эволюции. Находки древнейших молекулярныхископаемых возрастом 3,5-3,8 млрд. лет показывают, что биохимическая эволюция,которая привела к образованию первой клетки, продолжалась около миллиарда лет.Образование клетки и было самым трудным на этом долгом пути.
Как уже отмечалось, исходный материал длябиохимической эволюции был заготовлен раньше, на космическом этапе развития и вначале формирования первичных литосферы, гидросферы и атмосферы. Для этогоимелось достаточно источников энергии: солнечное излучение, тепловая энергияземных недр, высокоэнергетическая радиация, электрические разряды (молнии игром, при котором возникают сильные ударные волны). Вероятно, тогда же ивозникли основы естественного отбора важных биохимических молекул.
Имевшееся количество химических элементов и наличиемощных источников энергии приводят к образованию огромного количества молекул.Путем конденсации (концентрации) этих простых молекул (метан, аммиак, вод адр.) образуются основные биохимические молекулы: некоторые аминокислоты, являющиесяосновой белков; некоторые органические основания, такие, как аденин, которыеявляются компонентами нуклеиновых кислот; некоторые сахара, например рибоза, иих фосфаты; простые азотосодержащие молекулы, например порфирины, которыеявляются важным компонентом ферментов (энзимов) и т.п. На следующем этапепроисходит укрупнение молекул и формирование сложных макромолекул, важнейшихкомпонентов так называемого «первичного бульона», в котором происходитполимеризация и связывание низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные.Такие сложные макромолекулярные соединения, называемые пробионтами, имеютоткрытую пространственную структуру, что обеспечивает их рост, а такжеразделение на дочерние образования под действием механических сил. На этомэтапе, когда возникают биологические полимеры, по-видимому, появился и механизмидентичного воспроизведения (репликация), который является основной чертойжизни.
Установлено, что способность к самовоспроизведениюживых организмов основана на репликации нуклеиновых кислот, при которойпроисходит не только образование новых молекул, но и их разделение.Добиологический часто химический этап переходит в этап самоорганизации, накотором возникают самовоспроизводящие сложные молекулярные комплексы. Этимакромолекулярные комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами —этапом чисто химической эволюции и этапом самоорганизации биологическихмакромолекул — весьма условна и не фиксирована во времени.
Как полагает Опарин, с появлениемсамовоспроизведения органических молекул началась биологическая эволюция. Приэтом произошло объединение двух важных свойств: способности ксамовоспроизводству полинуклеотидов и каталитической активности полипептидов.Наилучшие перспективы сохраниться в предбиологическом отборе имели этиультрамолекулярные системы, в которых обмен веществ сочетался со способностью ксамовоспроизведению.
На этом этапе эволюционные процессы привели кобразованию нового типа взаимосвязи, необходимого для дальнейшего развития ивоспроизводства. Чтобы уяснить значение этого типа связи в природе, необходимоввести два основных понятия — информация иинструкция:инструкция «от кого» и информация «для кого». Необходимо сказать несколько слово информации.
Современная теория информации рассматривает проблемупереработки информации, а не ее «производства». Информация должна передаватьсяв строго определенной форме. Она может быть записана соответствующим кодом ипри передаче по каналам сопровождается шумом, который необходимоотфильтровывать в приемном устройстве. Современная теория информации,основываясь на данных палеонтологии, геологии, физики, считает, что нарастаниеструктурной сложности и информационной насыщенности есть важнейшая чертаэволюционного прогресса.
«От кого» и «для кого»? Эти два вопроса касаютсявзаимодействия нуклеиновых кислот и белков как важнейших компонентов жизни. Всвоей книге о химической эволюции М. Кальвин отмечает, что существующий внастоящее время набор компонентов белка был предопределен в самом началеэволюции исходным набором аминокислот. Этот набор аминокислот в белкеобусловлен определенной последовательностью в строении нуклеиновых кислот.Нуклеиновые кислоты и белки выполняют три исключительно важные функции:самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и передачу этойинформации в процессе возникновения новых клеток. Следовательно, нуклеиновыекислоты и белки тесно взаимодействуют при воспроизводстве. А что возниклораньше: нуклеиновая кислота или белок? Новый вариант старого вопроса о курице ияйце.
Этот вопрос созникает как барьер перед стремлениемобъяснить возникновение жизни. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) вместе срибонуклеиновой кислотой (РНК) ответственна за синтез белка. Вспомним одно изцентральных положений молекулярной биологии: ДНК ® РНК ®белок. Из этого положения, описывающего химический процесс белкового синтеза,некоторые исследователи делают вывод, что «пра-ДНК, вероятно, и была первыморганизмом на Земле». Но ДНК беспомощна без белка, и в этом причинанежизненности гипотезы о пра-ДНК. «Начало жизни в виде одинокой молекулы ДНК наберегу первичного океана, — пишет Бернал, — еще менее правдоподобно, чем в видеАдама и Евы в райских кущах».
В понимании вопроса о происхождении жизни понятия«нуклеиновая кислота» и «белок» можно заменить понятиями «информация,содержащая инструкцию» и «функция». Тогда вопрос «что первично?» становитсяабсурдным, так как не может осуществиться определенная функция, если нетинформации. А «информация» приобретает смысл только через функцию, которую онакодирует. Поэтому в живой природе естественный отбор направлен в конечном счетек сохранению полезной для организма функции.
«Такую систему (информация — функция), — пишет М.Эйген, — можно сравнить с замкнутым узлом. Хотя и очевидно, что нить, изкоторой образован узел, где-то должна начинаться, начальная точка теряет своезначение, поскольку узел замкнут. Взаимоотношения нуклеиновых кислот и белковсоответствуют сложной иерархии «замкнутого узла».
В процессе развития пробионтов зародиласьспособность передачи информации. Она обеспечила огромные преимущества своимносителям — сложным макромолекулярным комплексам. В дальнейшем эта способностьприводит к образованию огромной информационной насыщенности живой клетки, чтообеспечивается тонкими механизмами, сформировавшимися в процессе эволюции. Приэтом запись информации происходит на атомном уровне. В исключительно маломпространстве (например, диаметр сперматозоида составляет около 0,1 мм) можетбыть записано огромное количество информации. Эта информация включает мельчайшиеподробности, даже такие, по словам Дж. Уотсона, как «присущая нам способностьразвлекать окружающих».
Основные черты, приобретенные в результатекаким-либо организмом в результате долгой предшествующей эволюции, записаны вего наследственной программе. Издавно известно, что основная часть генетическойинформации содержится в тонких нитевидных телах — хромосомах, имеющихся внутриклетки. В 1950-е годы было установлено, что важнейшая часть хромосом состоит изДНК. По-видимому, генетическим материалом всех живых организмов является ДНК,за исключением некоторых вирусов, которые содержат исходную РНК. Не известныслучаи, когда бы генетическим материалом служили иные молекулы, кроме нуклеиновыхкислот.
Рентгеноструктурные исследования М. Уилкинса, иособенно работа Дж. Уотсона и Ф. Крика, раскрыли структуру ДНК. Онапредставляет собой длинную цепь повторяющихся последовательностей:сахар-фосфат-сахар-фосфат-сахар-фосфат… и так далее. К каждому сахару(называемому еще дезоксирибозой) присоединена плоская циклическая группаазотосодержащего соединения, называемого азотным основанием. Это пурины,имеющие двойное углеродно-азотное кольцо, и пиримидины, имеющее одно такоекольцо. Чаще всего встречаются пурины — аденин (А) и гуанин (Г) — и пиримидины— тимин (Т) и урацил (У). Генетическая информация передается посредствомчередования в определенной последовательности этих четырех оснований. Следовательно,всякая наследственная информация записана языком, содержащим всего четыребуквы. Не беден ли этот язык? Если посмотреть на окружающий мир, полныйразнообразия и красоты, можно убедиться, что он не препятствует разнообразию жизни,но обеспечивает стабильность. Чтобы код легко и быстро «прочитывался» клеткойбез больших энергетических затрат, он должен быть основан на малом числе букв.В процессе эволюции образовался именно такой генетический код. Несмотря на свою«скромность», он несет огромную информацию.
Вся молекула ДНК закручена в формедвойной спирали. Две цепи спирали соединены водородными связями, образуя так называемыекомплементарные (дополнительные) половины, которые можно сравнить собъединенными негативом и позитивом. Это дает возможность генам при удвоенииобразовывать дополнительные негативные копии, форма которых относится кисходному «позитиву» как ключ к замку. Этот дополнительный «негатив» служитматрицей (шаблоном) при образовании новых позитивных копий. Так формируются двепары одинаковых цепей там, где ранее была только одна. Этот процесскопирования, по-видимому, характерен для любого организма.
В осуществлении разнообразияхимических реакций в живой материи кроме нуклеиновых кислот участвует и другаябольшая группа молекул — белки.
Белки состоят из 20 видов аминокислот, которыесоединяются друг с другом в так называемую полипептидную цепь.
Способность белков образовыватьсложные структуры позволяет им обеспечивать тонкое регулирование биохимическихреакций. Они обладают колоссальным функциональным разнообразием и огромнойспособностью к распознаванию.
Рассмотрим некоторые основныеположения генетического кода. Можно ли с помощью четырех элементов (четырехоснований ДНК) управлять последовательностью 20 аминокислот в белке? Результатыисследований показывают, что любая аминокислота записывается (кодируется)комбинацией трех оснований, так называемым триплексным кодом. Так, например,фенилаланин кодируется тройкой УУУ — последовательностью из трех урацилов. СамаДНК, являющаяся ядром кода, участвует в синтезе белка не непосредственно, акосвенно через РНК двух видов: матричную или информационную (иРНК) итранспортную (тРНК). Они способны строить не просто случайные сочетанияаминокислот, а упорядоченные полимеры белков. Возможно, первичные рибосомысостояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли синтезироватьупорядоченные пептиды при участии молекул тРНК, которые связывались с иРНКчерез спаривание оснований. Молекула РНК воспроизводит генетический код,записанный в ДНК, и переносит запись к находящимся в цитоплазме рибосомам. Этосубмикроскопические внутриклеточные частицы, в которых происходит «сборка»белков из аминокислот. Генетический код един для всех живых организмов.
Предполагается, что первоначальнокод был более примитивным, однако он совершенствовался в процессе эволюциипутем естественного отбора, то есть согласно биологическим закономерностям.Поэтому универсальность кода объясняется не тем, что другой код не можетсуществовать по химическим причинам, а тем, что всякое его изменение было былетальным. Известно, что генетическая информация записывается на атомном уровнеи любая «ошибка» даже в несколько атомов может привести к гибельнымпоследствиям. Изящная двойная спираль молекулы ДНК чрезвычайно тонка (10 атомовв поперечном направлении), но от нее зависит жизнь.
С образованием сложныхультрамолекулярных систем (нуклеиновые кислоты, белки, в том числе ферменты) имеханизма идентичного воспроизведения (генети-ческого кода) загорается заряжизни на Земле. В начале следующео этапа, который невозможно точно отграничить,образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуруи активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков илипидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служитьзащитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран моглоначаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода откоацерватов к истинной живой материи были необходимы не только мембраны, но икатализаторы химических процессов — ферменты (энзимы). Предбиологический отборкоацерватов усиливал накопление белковоподобных полимеров, ответственных заускорение химических реакций. Результаты отбора фиксировались в строениинуклеиновых кислот. Система успешно (осмысленно) работающих последовательностейнуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновениесамоорганизации зависело как от исходных космическимх (химических) предпосылок,так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакцияна определенные условия.
Предбиологический этап — химический и может бытьописан принципами квантовой механики. Для него характерно дивергентное(разнонаправлен-ное) развитие. При этом «отсеивалось» множество различныхнеудачных вариантов, до тех пор пока основные черты строения нуклеиновых кислоти белков не получили отличную «оценку» естественного отбора. Возможно,существовали и другие варианты, при реализации которых жизнь приобрела быдругие черты.
Генетический код сформировался,по-види-мому, на последнем этапе эволюции фазово-обособ-ленных органическихсис-тем (пробионтов). Эти системы приобрели способность совершенствовать своюорганизацию путем предбиологическо-
го отбора самих систем, а не только отдельныхмолекул. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, которыйобеспечивал как постоянство пространственной и динамической структурыультрамолекулярных систем, так и возрастание их информационных возможностей.Вероятно, тогда же было положено начало специализации двух видов нуклеиновыхкислот — ДНК и РНК. ДНК обозначилась как главный «программист и инспектор»молекулярного самовоспроизведения. РНК приняла на себя роль «информатора» ипереносчика генетической программы. Ряд ученых считают, что первые формынуклеиновых кислот были представлены РНК-подобными полимерами, которые сочеталив себе способность как накапливать и передавать генетическую информацию, так иучаствовать в синтезе белков. Разделение функций между двумя видами нуклеиновыхкислот открыло новые горизонты перед эволюцией. «В процессе эволюциипробионтов, — пишет Опарин, — было испробовано и отвергнуто не меньше, а, возможно,и значительно больше вариантов организации, чем, например, ступеней междуплавниками акулы и человеческой рукой».
После образования генетическогокода эволюция становится темой с вариациями. Чем дальше она продвигается вовремени, тем многочисленнее и сложнее вариации. Однако эволюция еще в самомначале. Минуло 1-1,2 млрд. лет со времени образования Земли. Пробионты,бесспорно, развивались в анаэробной среде. Они использовали для своего ростаготовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, тоесть были гетеротрофными. Пробионты нуждались в различных химическихсоединениях — нуклеотидах, аминокислотах идр. Если бы пробионты отдали себя наконсумацию, ничего не производя, то органические вещества были бы быстроисчерпаны. Пробионты обладали слишком ограниченными возможностями (низкаястепень генетической информации), чтобы легко справляться с возникающимипрепятствиями в условиях, когда они обеспечивали свое существование путемдиффузии. Невозможно представить, чтобы жизнь на этом раннем этапе существовалав форме одного вида организмов: он бы быстро исчерпал свой «первичный бульон».Как показала последующая эволюция, пробионты избрали путь с оптимистическимиперспективами. На первой ступени проявилась тенденция к приобретению большогоразнообразия свойств, в первую очередь к возникновению способности синтезироватьорганические вещества из неорганических соединений с использованием солнечногосвета, то есть к возникновению автотрофного питания. Множество вариантов было«перепробовано» перед тем, как достигнуть весьма важного результата — появленияорганелл. К ним относятся: митохондрии, отвечающие за метаболизм клетки;хлоропласты, осуществляющие фотосинтез; рибосомы — место, где совершаетсяпроцесс синтеза белка по инструкции ДНК; хроматин и поздний его аналог хромосомы,которые отвечают за точную передачу наследственных черт. Дж. Бернал логичнодопускает, что до обособления клетки органеллы прошли стадию самостоятельнойжизни.
В свое время Холдейн высказалпредположение, что бактериофаги и другие вирусы являются, по-видимому,связующим звеном между преджизнью (пробион-тами) и жизнью. Но вирус неорганизм, он не имеет собственного обмена веществ и может размножаться толькопри попадании в клетку. Это, очевидно, дегенерировавшие (вторично упрощенные)формы, которые во многих отношениях похожи на
некоторые органеллы. Они приспособились квнутриклеточному паразитическому образу существования.
Примитивнейшими свободно живущимиорганизмами являются так называемые микоплазмы. Они имеют элементы, которыеобнаружены в клетках, но в чрезвычайно упрощенном виде. Это может указывать напримитивность, но также может быть следствием вторичной дегенерации, связаннойс паразитической жизнью, как полагает Бернал.
В 1977 году американский биохимикК. Воуз широко оповестил о результатах одного своего исследования, которыеобъявил открытием первой формы жизни. В горячих (65-70°С)источниках Йеллоустонского парка он обнаружил микроорганизмы, которые поглощаютдвуокись углерода и водорода и выделяют метан. Так как сегодня известны двеосновные формы жизни — растения и животные, то метанопроизводящие организмыбыли объявлены третьей ее формой. А в сущности, третья ли это форма жизни илипервая, которая позже дала начало другим.
В настоящее время общепринято, чтопробионты имели черты йеллоустонских метанопроизводящих «бактерий» и жили безкислорода, с помощью ферментации. Открытие Воуза бесспорно в отношенииразвития метанопроизводящих микроогранизмов. Но являются ли они представителямипервых организмов или представляют собой результат вторичного приспособления идегенерации бактерий, не известно.
Многие специалисты скептическиприняли сообщение К. Воуза не из-за традиционного недоверия к сенсации, апотому, что известно много современных анаэробных бактерий, которые живут засчет различных видов ферментации, фотосинтеза или химических процессов. К.Гробштейн, американский биолог и биохимик, приводит характерные примерыприспособления бактерий к горячим (до 80°С) растворам путемпоследовательной «колонизации» различными поколениями отдельных температурныхзон, начиная от 30 и до 80°С.
Очевидно, истинная жизнь начинаетсяс появления клетки. Биологические мембраны помогают объединению отдельныхорганелл (мембранные органеллы и органеллы-частицы) в единое целое. Образуетсяистинная основа жизни, знаменующая собой скачок в эволюции. Очевидно, первыеклетки примитивны, они не имеют ядра (прокариоты). В настоящее время таковыбактерии и некоторые другие микроорганизмы. Они появились около 3,2-3,5 млрд.лет назад. Затем началось развитие клетки с ядром (эукариоты), содержащимхромосомы — органеллы, которые хранят с помощью ДНК и передают наследственныечерты клетки.
Первые клетки были прообразом всехживых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, подвоздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствуются,вслед за прокариотами и эукариотами отделяется третья категория —специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных —метафитов и метазоа.
Сложные процессы химическойэволюции, которая переходит в биохимическую и биологическую эволюцию, могутбыть выражены в виде простой схемы: атомы ® простые молекуы ®сложные макромолекулы и ультрамолекулярные системы (пробионты) ®одноклеточные организмы.
Первый шаг сделан. Это было самымтрудным. На этапе предбиологической эволюции «испробовано» множество вариантовдальнейшего развития исходных углеродных соединений. Начало можно представитькак сложное переплетение различных дорог, которые постепенно расходятся, ажизнь избирает один путь. Другие остаются дорогами никуда.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ:
· ШкловскийИ. С. «Вселенная. Жизнь. Разум», М., Наука, 1987 г.
· ХоровицН. «Поиски жизни в Солнечной системе», М., Мир, 1988 г.
· ЮгайГ. А. «Общая теория жизни», М., Мысль, 1985 г.
· ГолдсмитД., Оуэн Т. «Поиски жизни во Вселенной», М., 1983 г.
· КальвинМ. «Химическая эволюция», М., Мир, 1971 г.
· НиколовТ. «Долгий путь жизни», М., Мир, 1986 г.
· ПоннамперумаС. «Происхождение жизни», М., Мир, 1977 г.
· ФоксС., Дозе К. «Молекулярная эволюция и возникновение жизни»
www.ronl.ru
Доклад по естествознанию на тему: «АСТРОНОМИЯ»
Работу подготовили:
Курова Яна и Пипченко Екатерина
группа ТК 12/9
Астроно́мия — наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и образованных ими систем.
Планетарная туманность
В частности, астрономия изучает Солнце, другие звёзды, планеты Солнечной системы и их спутники, внесолнечные планеты , астероиды, кометы, метеориты, межпланетное вещество, межзвёздное вещество, пульсары, чёрные дыры, туманности, галактики и их скопления, квазары и многое другое.
Астрономия — одна из древнейших наук. Первые цивилизации вавилонян, греков, китайцев, индийцев и майя уже проводили методические наблюдения ночного небосвода. Но только изобретение телескопа позволило астрономии развиться в современную науку. Исторически астрономия включала в себя астрометрию, навигацию по звёздам, наблюдательную астрономию, создание календарей и даже астрологию. В наши дни профессиональная астрономия часто рассматривается как синоним астрофизики.
В XX веке астрономия разделилась на две главные ветви: наблюдательную и теоретическую. Наблюдательная астрономия — это получение наблюдательных данных о небесных телах, которые затем анализируются. Теоретическая астрономия ориентирована на разработку компьютерных, математических или аналитических моделей для описания астрономических объектов и явлений. Эти две ветви дополняют друг друга: теоретическая астрономия ищет объяснения результатам наблюдений, а наблюдательная астрономия даёт материал для теоретических выводов и гипотез и возможность их проверки.
2009 год был объявлен ООН Международным годом астрономии (IYA2009). Основной упор делается на повышении общественной заинтересованности астрономией и её понимания. Это одна из немногих наук, где непрофессионалы всё ещё могут играть активную роль. Любительская астрономия привнесла свой вклад в ряд важных астрономических открытий.
Термин «астроно́мия» (др.-греч. ἀστρονομία) образован от древнегреческих слов ἀστήρ, ἄστρον (астер, астрон), «звезда» и νόμος (номос), «обычай, установление, закон».
Изучение звёзд и звёздной эволюции имеет фундаментальное значение для нашего понимания Вселенной. Астрономы изучают звёзды с помощью и наблюдений, и теоретических моделей, а сейчас и с помощью компьютерного численного моделирования.
Формирование звёзд происходит в газопылевых туманностях. Достаточно плотные участки туманностей могут сжиматься силой гравитации, разогреваясь за счёт высвобождаемой при этом потенциальной энергии. Когда температура становится достаточно большой, в ядре протозвезды начинаются термоядерные реакции и она становится звездой.
Почти все элементы, более тяжелые чем водород и гелий, образуются в звёздах.
Основными задачами астрономии являются:
1.Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы.
2.Изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств (плотности, температуры и т. п.) вещества в них.
3.Решение проблем происхождения и развития отдельных небесных тел и образуемых ими систем.
4.Изучение наиболее общих свойств Вселенной, построение теории наблюдаемой части Вселенной — Метагалактики.
История Астрономии: Ещё в глубокой древности люди заметили взаимосвязь движения небесных светил по небосводу и периодических изменений погоды. Астрономия тогда была основательно перемешана с астрологией. Окончательное выделение научной астрономии произошло в эпоху Возрождения и заняло долгое время.
Астрономия — одна из старейших наук, которая возникла из практических потребностей человечества. По расположению звезд и созвездий первобытные земледельцы определяли наступления времен года. Кочевые племена ориентировались по Солнцу и звездам. Необходимость в летоисчислении привела к созданию календаря. Есть доказательства, что еще доисторические люди знали об основных явлениях, связанных с восходом и заходом Солнца, Луны и некоторых звезд. Периодическая повторяемость затмений Солнца и Луны была известна уже очень давно. Среди древнейших письменных источников встречаются описания астрономических явлений, а также примитивные расчетные схемы для предсказания времени восхода и захода ярких небесных тел и методы отсчета времени и ведения календаря. Астрономия успешно развивалась в Древнем Вавилоне, Египте, Китае и Индии. В китайской летописи описывается затмение Солнца, которое состоялось в 3-м тысячелетии до н. э. Теории, которые на основе развитых арифметики и геометрии объясняли и предсказывали движение Солнца, Луны и ярких планет, были созданы в странах Средиземноморья в последние века дохристианской эры и вместе с простыми, но эффективными приборами, служили практическим целям вплоть до эпохи Возрождения.
Особенно большого развития достигла астрономия в Древней Греции. Пифагор впервые пришел к выводу, что Земля имеет шарообразную форму, а Аристарх Самосский высказал предположение, что Земля вращается вокруг Солнца. Гиппарх во 2 в. до н. э. составил один из первых звездных каталогов. В произведении Птолемея «Альмагест», написанном в 2 ст. н. э., изложена геоцентрическая система мира, которая была общепринятой на протяжении почти полутора тысяч лет. В средневековье астрономия достигла значительного развития в странах Востока. В 15 в. Улугбек построил вблизи Самарканда обсерваторию с точными в то время инструментами. Здесь был составлен первый после Гиппарха каталог звёзд. С 16 в. начинается развитие астрономии в Европе. Новые требования выдвигались в связи с развитием торговли и мореплавания и зарождением промышленности, способствовали освобождению науки от влияния религии и привели к ряду крупных открытий.
Рождение современной астрономии связывают с отказом от геоцентрической системы мира Птолемея (II век) и заменой ее гелиоцентрической системой Николая Коперника (середина XVI века), с началом исследований небесных тел с помощью телескопа (Галилей, начало XVII века) и открытием закона всемирного притяжения (Исаак Ньютон, конец XVII века). XVIII—XIX века были для астрономии периодом накопления сведений и знаний о Солнечной системе, нашей Галактике и физической природе звёзд, Солнца, планет и других космических тел. Появление крупных телескопов и осуществления систематических наблюдений привели к открытию, что Солнце входит в состав огромной дискообразной системы, состоящей из многих миллиардов звезд — галактики. В начале XX века астрономы обнаружили, что эта система является одной из миллионов подобных ей галактик. Открытие других галактик стало толчком для развития внегалактической астрономии. Исследование спектров галактик позволило Эдвину Хабблу в 1929 году выявить явление «разбегания галактик», которое впоследствии получило объяснения на основе общего расширения Вселенной.
В XX веке астрономия разделилась на две основные ветви: наблюдательную и теоретическую. Наблюдательная астрономия — это получение наблюдательных данных о небесных телах, которые затем анализируются. Теоретическая астрономия ориентирована на разработку моделей (аналитических или компьютерных) для описания астрономических объектов и явлений. Эти две ветви дополняют друг друга: теоретическая астрономия ищет объяснения результатам наблюдений, а наблюдательная астрономия даёт материал для теоретических выводов и гипотез и возможность их проверки.
Научно-техническая революция XX века имела чрезвычайно большое влияние на развитие астрономии в целом и особенно астрофизики. Создание оптических и радиотелескопов с высоким разрешением, применение ракет и искусственных спутников Земли для внеатмосферных астрономических наблюдений привели к открытию новых видов космических тел: радиогалактик, квазаров, пульсаров, источников рентгеновского излучения и т. д.. Были разработаны основы теории эволюции звезд и космогонии Солнечной системы. Достижением астрофизики XX века стала релятивистская космология — теория эволюции Вселенной в целом.
studfiles.net
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Тверской Государственный Технический Университет
(ГОУВПО “ТГТУ”)
Кафедра Биотехнологии и химии
Контрольная работа
Вариант №14
Выполнил: студент 1 курса
заочного отделения
ИДПО
группы УП-139
Нестеров А.А.
Принял: Манаенков О.Н.
Вышний Волочек 2010
14. Достижения современного естествознания: атомные технологии.
Трудно переоценить роль ядерного оружия. С одной стороны, это мощное средство устрашения, с другой – самый эффективный инструмент укрепления мира и предотвращения военного конфликтами между державами, которые обладают этим оружием. С момента первого применения атомной бомбы в Хиросиме прошло 52 года. Мировое сообщество близко подошло к осознанию того, что ядерная война неминуемо приведет к глобальной экологической катастрофе, которая сделает дальнейшее существование человечества невозможным. В течение многих лет создавались правовые механизмы, призванные разрядить напряженность и ослабить противостояние между ядерными державами. Так например, было подписано множество договоров о сокращении ядерного потенциала держав, была подписана Конвенция о Нераспространении Ядерного Оружия, по которой страны-обладателя обязались не передавать технологии производства этого оружия другим странам, а страны, не имеющие ядерного оружия, обязались не предпринимать шагов для его разработки; наконец, совсем недавно сверхдержавы договорились о полном запрещении ядерных испытаний. Очевидно, что ядерное оружие является важнейшим инструментом, который стал регулирующим символом целой эпохи в истории международных отношений и в истории человечества.
Атомные бомбы, тротиловый эквивалент которых равен 1- 50 тыс. т, относят к классу тактических атомных бомб и предназначают для решения оперативно-тактических задач. К тактическому оружию относят также артиллерийские снаряды с атомным зарядом мощность 10 – 15 тыс. т. и атомные заряды (мощностью около 5 – 20 тыс. т) для зенитных управляемых снарядов и снарядов, используемых для вооружения истребителей. Атомные и водородные бомбы мощностью свыше 50 тыс. т относят к классу стратегического оружия.
Нужно отметить, что подобная классификация атомного оружия является лишь условной, поскольку в действительности последствие применения тактического атомного оружия могут быть не меньшими, чем те, которые испытало на себе население Хиросимы и Нагасаки, а даже большими.
Сейчас очевидно, что взрыв только одной водородной бомбы способен вызвать такие тяжелые последствия на огромных территориях, каких не несли с собой десятки тысяч снарядов и бомб, применявшихся в прошлых мировых войнах. А нескольких водородных бомб вполне достаточно, чтобы превратить в зону пустыни огромные территории.
Ядерное оружие подразделяется на 2 основных типа: атомное и водородное (термоядерное). В атомном оружии выделение энергии происходит за счет реакции деления ядер атомов тяжелых элементов урана или плутония. В водородном оружии энергия выделяется в результате образования (или синтеза) ядер атомов гелия из атомов водорода.
Получение ядерной энергии в больших количествах впервые было достигнуто в цепной реакции деления ядер урана. Когда изотоп уран-235 поглощает нейтрон, ядро урана распадается на две части и при этом вылетают два – три нейтрона. Если из числа нейтронов, образующихся после каждого акта деления, в следующем участвует в среднем более одного нейтрона, то процесс экспоненциально нарастает, приводя к неуправляемой цепной реакции.
Для преобразования ядерной энергии в электрическую этот процесс необходимо замедлить и сделать управляемым; тогда его можно использовать для получения тепла, которое затем превращается в электричество. Ядерный реактор – это своего рода “печка”. Вероятность деления ядра урана-235 велика, если последний движется сравнительно медленно (со скоростью около 2 км/c). Для замедления нейтронов в ядерный реактор помещают специальные материалы, называемые замедлителями.
Ядерные реакторы: классификация.
Ядерные реакторы можно классифицировать по типу применяемых в них замедлителей: реакторы на графите, на воде и на тяжелой воде. Тяжелой называется вода, в которой обычный водород заменен его тяжелым изотопом – дейтерием. Тяжелая вода поглощает значительно больше электронов, чем обычная.
Для поддержания цепной реакции необходимо определенное количество делящегося вещества. Если в реакторе теряется в результате поглощения или испускания больше нейтронов, чем возникает, то реакция не будет самоподдерживающейся. Если же, наоборот, нейтронов возникает больше, чем теряется, то реакция становится самоподдерживающейся и нарастающей. Минимальное количество вещества, обеспечивающее самоподдерживающееся протекание реакции, называется критической массой . Для нормальной работы ядерного реактора поток нейтронов должен поддерживаться постоянным на требуемом уровне. Режим работы реактора регулируют, вдвигая и выдвигая стержни из поглощающего материала.
Во второй половине XX века человечество столкнулось с опасностью радиационного загрязнения окружающей природной среды, которая поставила под угрозу существование всего живого на Земле. О последствиях радиоактивного загрязнения международная общественность хорошо информирована. Описания трагических последствий атомных взрывов в Японии, выступления против испытаний ядерного оружия широко известны. Принятие международно-правовых мер против испытаний ядерного оружия встречает активную поддержку. Основным актом, решающим задачу предотвращения радиоактивного загрязнения среды является Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой, который был подписан 5 августа 1963 г. в Москве и в котором в настоящее время участвует более 10 государств. Московский Договор оказал благоприятное воздействие на состояние радиоактивного фона Земли, радиоактивность нашей планеты снизилась. Однако после серии взрывов в атмосфере, проведенных в 1969—1970 гг. Францией и КНР содержание стронция-90 в атмосфере вновь поднялось на 20 процентов. Дают о себе знать и подземные ядерные взрывы, которые еще не запрещены. Явления, сопутствующие взрывам атомных и водородных бомб, влияют на погоду, являются причиной изменения направления ветров, внезапных ливней, бурь и паводков. По мнению ученых, ядерные взрывы изменяют напряженность электрического поля атмосферы и могут стать серьезной причиной климатических нарушений, в частности неожиданных похолоданий в районах, где обычно низкие температуры не наблюдались. Доказано, что ядерные взрывы на поверхности Земли и в атмосфере не только отрицательно отражаются на здоровье ныне живущих людей, но и угрожают последующим поколениям. Все эти обстоятельства диктуют необходимость дальнейшей последовательной борьбы за полное запрещение ядерных испытаний, а также принятие необходимых мер защиты окружающей среды от загрязнения в результате мирного использования атомной и ядерной энергии.
Проблема предотвращения и устранения радиоактивного загрязнения природной среды проявилась в новых драматических чертах после аварии на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. Авария подтолкнула и правовую сферу ядерной безопасности, вызвав к жизни, помимо прочего, большой комплекс новых международных экологических правоотношений. В частности 26 сентября 1986 г. в Вене были приняты Конвенция об оперативном оповещении о ядерной аварии и Конвенция о помощи в случае ядерной аварии или радиационной аварийной ситуации. Участники конвенций взяли на себя обязательства строго следить за состоянием ядерных объектов, а в случае возникновения ядерных аварий или аварийных ситуаций, наряду с принятием защитных мер, немедленно оповещать другие договаривающиеся стороны. Они обязались также оказывать разнообразную техническую, социальную и иную помощь (оперативно и в долгосрочном контексте) тем государствам и народам, которые оказались жертвами ядерной аварии или аварийной ситуации. Было принято и осуществляется множество программ, связанных с реализацией международных экологических правоотношений в этой области развития атомной энергетики и обеспечения радиационной безопасности.
34. Многообразие мира галактик. Содержание и значение закона Хаббла
Мир галактик столь же разнообразен, как и мир звезд. Долгое время туманные пятнышки, наблюдаемые в телескопы, считали туманностями, относящимися к Галактике (воспринимаемой как вся Вселенная). Это — огромные вращающиеся системы звезд, разнообразные по внешнему виду и физическим характеристикам, размером 1 — 100 кпк. В них находится от 107 до 1012 звезд. Небольшие галактики часто являются спутниками больших галактик. Невооруженным глазом можно увидеть ближайшие к нам галактики — Магеллановы Облака (в Южном полушарии) и туманность Андромеды (в Северном полушарии), они входят в Местную группу галактик (рис. 9.10). Остальные галактики видны только в телескоп как пятнышки. Классификация галактик в каталогах — М с номером. Так, М31 — туманность Андромеды. В каталоге, составленном в СССР в 60-е гг. XX в., более 30 000 галактик.
Деление галактик на спиральные, эллиптические и неправильные, основанное на внешнем виде, было введено в 1925 г. американским астрономом Э.Хабблом, изучившим более тысячи галактик (рис. 9.11). Его классификация отражает и существенные физические различия между галактиками.
Спиральные галактики состоят из двух подсистем — дисковой и сферической. Сферическая часть напоминает эллиптическую галактику, дисковая — сжата и содержит много межзвездной пыли, газа и молодых звезд. Более молодые и яркие звезды сгруппированы в спиральные рукава. Оказалось, что почти половина галактик имеют спиральную форму. В центре таких галактик — красивое и яркое ядро, большое и тесное скопление звезд. Из ядра выходят закручивающиеся вокруг него ветви, состоящие из молодых звезд и облаков нейтрального газа. Таковы галактики Млечный Путь и туманность Андромеды. Эллиптические галактики несколько похожи на них, но с меньшими рукавами. Среди наиболее ярких галактик они составляют 25 %; считают, что они состоят из более старых звезд (возраста Солнца или старее), так как имеют красноватый оттенок. Они почти не содержат межзвездного газа, и там не формируются новые звезды. Вращение в них происходит с небольшими скоростями (менее 100 км/с), а равновесие поддерживается за счет хаотических передвижений звезд по радиально вытянутым орбитам. Такую галактику наблюдают в созвездии Девы, она имеет почти шаровидную форму и весьма активна. В ядре эллиптической радиогалактики Кентавра А удалось обнаружить на расстоянии в 106 св. лет отдельные детали размером в 100 св. лет, отражающие бурную активность. Неправильные галактики имеют небольшую массу и размер, в них много межзвездного газа. Заметны как очаги звездообразования какие-то клочки. Примером таких галактик являются наиболее близкие к Земле две небольшие галактики Магелланова Облака, которые даже называют спутниками Млечного Пути. До Большого Облака около 200 тыс. св. лет, до Малого — всего 170 тыс. св. лет. В Большом Облаке в 1987 г. наблюдалась вспышка Сверхновой звезды, а при помощи обсерватории «Квант» орбитального комплекса «Мир» в 1999 г. было зарегистрировано жесткое рентгеновское излучение. Наблюдения с помощью «Кванта» и другого российского рентгеновского телескопа «Гранат» позволили подтвердить гипотезу о том, что в центре нашей Галактики — черная дыра, масса которой в миллионы раз больше солнечной.
Отдельные звезды в галактиках стали различать только в 30-е гг. В 1923 г. Хаббл с помощью 2,5-метрового рефлектора открыл в спиральной туманности созвездия Андромеды несколько перемен ных звезд (т.е. с меняющимся блеском) и цефеиду. По периоду колебаний блеска цефеиды он определил ее звездную величину и расстояние до нее — 900 тыс. св. лет. Туманность М31 находится вне нашей Галактики. Поправка на поглощение излучения межзвездным газом увеличила это расстояние до 2,2 млн св. лет, что превышает более чем в 20 раз размеры нашей Галактики. Хаббл подсчитал число галактик до 20-й звездной величины на 1283 участках неба. Он нашел, что на один квадратный градус на небесной сфере приходится в среднем 130 галактик. Небесная сфера содержит 41 253 квадратных градуса, поэтому общее число галактик до 20-й звездной величины составляет 5,4 млн (звезды до 20-й величины можно наблюдать в 2,5-метровый телескоп Хаббла).
Галактики распределены почти равномерно по всем направлениям, хотя образуют скопления и группы. Тесным является скопление из 40 тысяч галактик в созвездии Волосы Вероники (Северное полушарие), находящееся на расстоянии около 400 млн св. лет и занимающее почти 12°. Иногда группы столь тесные, что галактики как бы проникают друг в друга. Так, в нашу Галактику частично заходит галактика Малое Магелланово Облако. Радиусы больших скоплений (около тысячи галактик) составляют до 1 — 4 Мпк или даже 10 Мпк. Такое скопление наблюдается в созвездии Девы, находящемся на расстоянии 15 Мпк от нас — оно и есть центр Местного сверхскопления галактик, куда входит и Местная группа галактик. Размеры таких скоплений растут в связи с общим расширением Вселенной.
Лучевые скорости галактик первым определил Слайфер (1912), используя эффект Доплера. К 1925 г. он измерил скорости 41 галактики, из них 36 удалялись от нас со скоростями до 1000 км/с, и лишь несколько приближались. Хаббл измерил расстояния до галактик по цефеидам и ярким звездам и установил (1929), что скорости «разбегания» галактик растут пропорционально расстоянию до них. Закон Хаббла: V = Hr , где H — постоянная, получившая название постоянной Хаббла (см. рис. 3.8).
Сначала Хаббл считал, что Н = 500 км/(с • Мпк). В настоящее время H считают от 50 до 100 км/(с Мпк). С помощью красного смещения Хаббла оценивали расстояние до галактик и до края видимой Вселенной — Метагалактики. Поскольку увеличение красного смещения сопровождается уменьшением яркости галактики, то заключили, что закон V = Hr действительно отражает расширение Метагалактики. При Н = 50 кмДс-Мпк) и =0,3 получается = 19,6 () млрд св. лет.
54. Основные свойства пространства и времени в рамках ОТО и СТО
О том, что такое пространство и время, люди задумывались еще в глубокой древности. В наиболее отчетливой форме представления о пространстве и времени сложились в виде двух противоположных концепций, названных впоследствии концепциями Демокрита-Ньютона и Аристотеля-Лейбница. Первая концепция допускала существование пространства как некоторой пустоты, не связанной с материальными предметами. При этом считалось также, что время представляет собой самостоятельную сущность, не связанную с материей и пространством. С точки зрения второй концепции, не мыслились пространство и время, оторванные от вещей. В науке до конца XIX и начала ХХ в. господствовала первая концепция. Древнегреческие философы Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар и др. пришли к пониманию пространства как пустоты исходя из своего атомистического учения. Они считали, что для существования и движения атомов требуется пустота — некое вместилище, где атомы, сочетаясь различным образом в движении, образуют многообразие тел. С развитием классической физики идеи Демокрита о сущности пространства и времени были развиты в трудах Бруно, Галилея, Декарта и др. Особенно большой вклад в этом отношении был сделан Ньютоном, искавшим при создании классической механики универсальную систему отсчета, относительно которой происходит механическое движение тел. В качестве такой универсальной системы Ньютон и выбрал пространство. По Ньютону, пространство суть пустое абсолютное вместилище, в котором располагаются все тела как нечто внешнее по отношению к нему. Все тела обладают протяженностью независимо от существования других тел. Ньютон полагал, что пространство трехмерно, непрерывно, однородно и изотропно. Его различные части ничем не отличаются друг от друга, и, значит, пространственные отношения были всюду одними и теми же и описывались единой геометрией — геометрией Евклида. Время суть чистая длительность, присущая любому единичному явлению самому по себе. Оно также абсолютно. Абсолютность пространства и времени Ньютоном понималась в двух различных, хотя и взаимосвязанных, аспектах. Во-первых, «абсолютным пространством» Ньютон называл пустое и неподвижное по отношению к материи пространство (некое вместилище тел), с которым связывалась привилегированная система координат. Во-вторых, термин абсолютности употребляется для характеристики инвариантности, т.е. неизменности длин отрезков в любых системах отсчета. Аналогично понятие «абсолютное время» характеризовало его, с одной стороны, как чистую длительность, с другой стороны, как неизменность (инвариантность) временных интервалов в любых системах отсчета. Это означало, что всюду в пространстве существует единое «мировое» время, не зависящее от выбора системы координат и взаимного движения тел. Ньютоновские представления о пространстве и времени удовлетворяли потребностям классической физики, так как была найдена универсальная система отсчета, относительно которой совершалось любое механическое движение, — абсолютное пространство.
Далее рассмотрим кратко сущность второй концепции пространства и времени. Аристотель, выступая против идеи атомистического строения мира, отбросил вместе с ней и идею пустого пространства. С точки зрения Аристотеля, пространство представляет собой совокупность мест занимаемых телами. Иными словами, пространство — это порядок взаимного расположения множества различных тел, а время — порядок сменяющих друг друга явлений и состояний тел, т.е. время связывалось с движением, изменением тел. Дальнейшее развитие вторая концепция получила в трудах Лейбница, Гюйгенса, Дидро и др. Согласно Лейбницу, пространство и время не могут существовать вне материи и процессов, происходящих в ней. Лейбниц выступал против Ньютоновского понимания чистой протяженности и чистой длительности. С точки зрения диалектического материализма пространство и время неразрывно связаны между собой и с движущейся материей, формами существования которой они являются. По этой концепции бытие вне времени есть такая же величайшая бессмыслица, как бытие вне пространства, пространство и время без материи — пустые представления, абстракции, существующие только в нашей голове. Конечно, в диалектико-материалистической концепции раскрыта сущность пространства и времени в основном с общефилософских позиций. Однако с развитием современной науки ее выводы получили естественно-научное подтверждение. Научное определение пространства и времени, и также более или менее полное раскрытие их свойств связано с развитием современной науки, прежде всего физики и философии. В настоящее время, как мне кажется, достаточно точно выражается сущность пространства и времени в следующих определениях. «Пространство — это совокупность отношений выражающих координацию материальных объектов, их расположение друг относительно друга и относительную величину (расстояние и ориентацию). Пространство выражает порядок расположения одновременно существующих объектов, их протяженность. Время — совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний (явлений), их последовательность и длительность»13. Приведенные определения носят диалектико-материалистический характер. Они показывают невозможность дать понятия пространства и времени в их отрыве от материи, невозможность их рассмотрения как некоторых абсолютно самостоятельных сущностей. Здесь пространство и время не мыслятся иначе, как определенные свойства бесконечной совокупности материальных объектов. Только через существование последних, благодаря тому, что они обладают протяженностью, размерами, взаимным расположением друг относительно друга, последовательностью смены состояний и длительностью их бытия, мы можем понять, что такое пространство и время. Зависимость пространства и времени от материи определяет и все их основные свойства. При этом следует подчеркнуть, что хотя они в равной степени есть формы существования материи, однако между ними есть и различия. А поэтому они имеют ряд свойств, как общих, так и отличающих их друг от друга.
Общим свойством, во-первых, является их объективность. Поскольку материя не зависит от сознания людей, постольку пространство и время также независимы от него. В этот вопрос идеалисты внесли путаницу. Так, Беркли считал, что пространство есть не что иное, как сосуществование ощущений в духе, субъекте; время — последовательность ощущений. По Канту, пространство и время есть априорные (доопытные) формы чувственности14. Накладываясь на хаос ощущений, эти априорные формы упорядочивают их в пространстве и времени. Во-вторых, в силу вечности существования материи, вечны пространство и время. Не может быть такого положения, когда материя существовала бы или до того, как появились пространство и время, как после того, как они уже исчезли. С попытками мыслить пространство и время как имеющими начало или конец мы встречаемся у Гегеля, Дюринга и др. У Гегеля природа развертывается сначала в пространстве, а затем уже во времени. А следуя Дюрингу, необходимо вообще признать, что было время, когда времени не было. Третьим свойством пространства и времени является их бесконечность и безграничность. В применении к пространству безграничность означает, что в какую бы сторону и на какое бы расстояние ни двигаться, нигде и никогда мы не достигнем такой границы, которую можно считать пределом. Бесконечность пространства проявляется в том, что как бы велики не были размеры системы, всегда найдется такая система большего порядка, которая будет включать в себя первую систему в качестве одного из своих элементов. Относительно времени безграничность и бесконечность проявляются в отсутствии событий, после которых уже не будет никакой длительности, не будет неисчислимого количества процессов, следующих один за другим. В-четвертых, пространство и время обладают свойствами абсолютности и относительности. Причем абсолютность здесь мыслится не в ньютоновском смысле. Она проявляется в том, что, независимо от смены явлений, от любых изменений в материальных телах, пространство и время объективно существуют. Иначе говоря, ни один материальный объект, какими бы он свойствами ни обладал, не может оказаться вне времени и пространства. Вместе с тем свойства пространства и времени могут изменяться с изменением свойств материи. Например, в зависимости от материальных условий может изменяться кривизна пространства (что нашло отразилось в создании неевклидовых геометрий). Эйнштейн показал, что в разных инерциальных системах отсчета длины отрезков и промежутки времени различны. Эти примеры свидетельствуют об относительности пространства и времени. Важным свойством является то, что пространство и время непрерывны и вместе с тем прерывны (дискретны). Непрерывность пространства и времени выражается в том, что между любыми двумя элементами пространственной протяженности всегда существует такой элемент протяженности, который соединяет оба первых в единую пространственную протяженность. Точно так же между двумя любыми временными интервалами всегда найдется третий, соединяющий их в единую временную длительность. Прерывность пространства и времени заключается в том, что они включают элементы, различающиеся по своим внутренним свойствам, по структуре, т.е. по своим качественным характеристикам.
В заключение отметим еще одно общее свойство пространства и времени. Этим свойством является их внутренняя противоречивость. Предыдущие два свойства являются примерами ее проявления. Бесконечность пространства и времени складывается соответственно из конечных длительностей отдельных процессов. Какие же свойства отличают пространство и время друг от друга? Частным свойством пространства является его трехмерность. Она выражается, во-первых, в том, что тело в пространстве сможет перемещаться в любом направлении: вверх, вниз, вправо, влево, вперед, назад. Во-вторых, все материальные тела обладают трехмерной пространственной формой — протяженностью в длину, ширину и глубину. Математически трехмерность пространства выражается во взаимооднозначном соответствии между его точками и тройками чисел – их координатами в заданной произвольной системе координат. Время, в отличие от пространства, одномерно. Это означает, что если задано начало отсчета во времени, то начало или конец какого-либо процесса, длина временного промежутка будут описаны одним числом. Кроме того, время обладает свойством необратимости. Во времени невозможно движение вспять. Оно течет всегда и всюду в одном и том же направлении: от прошлого к настоящему, от настоящего к будущему. Отсюда, заметим попутно, следует необратимость во времени причинно-следственных связей. Из вышеуказанных свойств пространства и времени вытекает то, что пространство обладает свойствами симметрии, а время — асимметрично. Симметричность пространства выражается в том, что объекты, расположенные в одной части пространства, могут являться зеркальным отражением материальных объектов в другой части пространства относительно определенной линии. Имеет место и симметрия пространства относительно оси вращения его около произвольной точки. Симметрия пространства проявляется в симметричной конфигурации различных материальных тел. Например, в форме кристаллов, строения бабочек. В классической физике и специальной теории относительности господствующее значение имеют постулаты об однородности и изотропии пространства и однородности времени, вытекающие из их свойств. Однородность пространства состоит в равноправии всех его точек, а изотропия — в равноправии всех его направлений. Однородность времени предполагает равноправие всех моментов времени. Это значит, что в каждой точке пространства, в любом направлении и в любой момент времени законы физики действуют одинаково. Изменение представлений о пространстве и времени, связанное с созданием неевклидовых геометрий, открытием специальной теории относительности, вызвало большой резонанс и в области философии. Ряд философов и физиков пришли к выводу: поскольку наши представления о пространстве и времени меняются, следовательно, они субъективны. Между тем абстрактные понятия пространства и времени являются относительными, они могут изменяться, уточняться с развитием науки, однако отсюда не следует, что изменяются в зависимости от этого, приспосабливаясь к нашему опыту, объективные пространство и время. Изменчивость представлений о пространстве и времени означает лишь, «что наш опыт» и наше познание все более приспосабливаются к объективному пространству и времени, все правильнее и глубже их отражая. Обоснование объективности пространства и времени имеет актуальное значение для современной физики, встретившейся с их новыми свойствами в области микромира. Открытие неевклидовых геометрий, наряду с доказательством материальности электромагнитного поля, создали предпосылки для коренного изменения представлений о пространстве и времени. С открытием поля, по словам Эйнштейна, стала возможной победа над ньютоновским абсолютным пространством, поскольку не стало отграниченных друг от друга предметов. Все оказалось заполненным материей и не стало пустоты. Следующим важным моментом в развитии физики было установление в 1881 г. американским физиком Майкельсоном независимости скорости света относительно движущихся тел. В физике возникло противоречие между законами классической физики и новыми открытиями.
3.2 Философское значение специальной теории относительности.
Разрешение этого противоречия было осуществлено А. Эйнштейном в 19О5 г. созданием специальной теории относительности. Принципиально новым в теории Эйнштейна является утверждение относительности и пространства и времени, рассматриваемых в отдельности. Существенно иным стало понимание смысла одновременности двух событий. С точки зрения специальной теории относительности (СТО), два события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, будут неодновременными в другой системе, движущейся относительно первой. Мы можем с уверенностью говорить об одновременности двух событий лишь в том случае, если они произошли в одном и том же месте. Утрата абсолютности одновременности означает, что не может быть единого времени в различных системах отсчета. В каждой такой системе имеется «собственное» время. Длина также стала относительной. В самом деле, что такое измерить длину какого-либо отрезка? Это значит одновременно зафиксировать его начало и конец. Однако поскольку понятие одновременности утратило свой абсолютный смысл, в различных системах отсчета длина отрезка будет различной. Причем установление, что длина отрезка будет сокращаться в направлении движения, а промежутки времени увеличиваться, т.е. течение времени должно замедляться. Возникает вопрос: реальны ли подобные релятивистские эффекты? Теория утверждает их реальность. Причем дело не в том, что каждый отрезок в разных системах действительно короче другого. Просто наблюдатели в каждой системе отсчета при измерении найдут, что отрезок в другой системе короче отрезка в их системе (например, каждому из двух одного роста людей, стоящих по разные стороны двояковогнутой линзы другой будет казаться меньше, хотя это не значит, что каждый из них меньше другого). Реальной же причиной изменений будет взаимное относительное движение тел. Таким образом, о длине тела, в отличие от классической физики, можно говорить лишь в отношении его к той или иной системе отсчета. То же самое относится и к временным промежуткам. Аналогией этому является то, что мы не можем говорить о скорости тела вообще, безотносительно к какой-либо системе, ибо не существует скорости тела самой по себе. Также лишены смысла понятия «верх» и «низ», «право» и «лево», если не указано, относительно чего устанавливается ориентировка в пространстве. Развитие представлений о пространстве и времени показало, что как таковые пространство и время раздельно не существуют. Они являются сторонами единой сущности — четырехмерного «пространства-времени». Окружающий мир — это мир событий, которые характеризуются место и временем. СТО, показав относительность пространства и времени, ввела новый абсолют. Таким абсолютом является четырехмерное «пространство-время», где три координаты пространственные, а четвертая — временная. В целом философское значение специальной теории относительности состоит в том, что она открыла неразрывную связь, единство пространства и времени. Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени и их взаимосвязи с материей связано с возникновением общей теории относительности (ОТО). Одним из основных постулатов ОТО являются гравитационные уравнения Эйнштейна, в которых правая часть есть физическая величина, выражающая материю — энергию — импульс. А левая часть выражает геометрические свойства 4-х мерного пространства-времени. Таким образом, уравнения Эйнштейна описывают одновременно и гравитационное поле, и геометрию пространства-времени. Установление зависимости гравитационного поля, а через него о пространства-времени от распределения в нем материальных масс является важнейшим фактором не только в физическом, но и в общей философском плане. В этом смысле уравнения Эйнштейна следует рассматривать как математическое выражение диалектического принципа, утверждавшего, что пространство и время как формы существования материи должны быть неразрывно связаны с материей и ее свойствами. Это значит, что ОТО в решении проблемы пространства и времени отличается от классической физики. Таким образом, общая теория относительности является новым, чем специальная теория относительности, подтверждением диалектико-материалистического учения о неразрывной взаимосвязи пространства и времени с движущейся материей. Своеобразно в ОТО и проявление релятивистских эффектов. Согласно ей сокращение длин и замедление времени наблюдаются даже в рамках одной и той же системы отсчета, при переходе от одних точек системы к другим. Например, во всех точках, расположенных ближе к центру материальных масс, гравитационное поле будет интенсивнее и, следовательно, время будет течь медленнее, а длины отрезков короче, чем в точках, более удаленных от центра гравитации. В 1958 году немецкий физик Мисбауер открыл способ изготовления «ядерных часов», измеряющих время с громадной точностью. Опыты с применением эффекта Мисбауера показали, что у поверхности земли время течет медленнее, чем, положим, на крыше какого-либо здания.
Развитие квантовой физики, космологии и т.д. ставит перед наукой все новые и новые вопросы, решение которых во многом связано с дальнейшим развитием учения о материи и ее свойствах. Существующие трудности с решением проблемы пространства и времени для некоторых областей знания позволяют предположить, что их решение, возможно, связано с созданием физической теории, более общей, чем теория относительности и квантовая теория поля. При этом я не исключаю возможность открытия какой-либо более общей формы существования материи. по отношению к которой пространственно-временная форма явится одной из ее разновидностей.
В заключение можно сказать, что развитие современной физики подтвердило правильность диалектико-материалистической концепции пространства и времени.
74. Процессы самоорганизации в неживой природе.
Понятие «самоорганизация» означает упорядоченность существования материальных динамических, т.е. качественно изменяющихся систем. В отличие от понятия «организация» оно отражает особенности существования динамических систем, которые сопровождаются их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности или материальной организации.
В настоящие дни проблему самоорганизации в живой и неживой природе подробно изучает новая наука — синергетика, появившаяся в 70-е годы прошлого века и претендующая на описание движущихся сил эволюции любых объектов нашего мира.
Синергетика сформировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.
С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь как из кинетической в потенциальную. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – понятие, характеризующее способность производить работу, и не только механическую, но и работу по созиданию новых структур.
Энтропия – это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия – творец, энтропия – мера творчества. Она характеризует результат.
1. Объектами исследования являются открытые системы в неравновесном состоянии, характеризуемые интенсивным (потоковым, множественно–дискретным) обменом веществом и энергией между подсистемами и между системой с ее окружением. Конкретная система погружена в среду, которая является также ее субстратом.
2. Среда — совокупность составляющих ее (среду) объектов, находящихся в динамике. Взаимодействие исследуемых объектов в среде характеризуется как близкодействие — контактное взаимодействие. Среда объектов может быть реализована в физической, биологической и другой среде более низкого уровня, характеризуемой как газоподобная, однородная или сплошная. (В составе системы реализуется дальнодействие — полевое и опосредствованное (информационное) взаимодействие.)
3. Различаются процессы организации и самоорганизации. Общим признаком для них является возрастание порядка вследствие протекания процессов, противоположных установлению термодинамического равновесия независимо взаимодействующих элементов среды (также удаления от хаоса по другим критериям). (Организация, в отличие от самоорганизации, может характеризоваться, например, образованием однородных стабильных статических структур.)
4. Результатом самоорганизации становится возникновение, взаимодействие, также взаимосодействие (например, кооперация) и, возможно, регенерация динамических объектов (подсистем) более сложных в информационном смысле, чем элементы (объекты) среды, из которых они возникают. Система и ее составляющие являются существенно динамическими образованиями.
5. Направленность процессов самоорганизации обусловлена внутренними свойствами объектов (подсистем) в их индивидуальном и коллективном проявлении, а также воздействиями со стороны среды, в которую ''погружена'' система.
6. Поведение элементов (подсистем) и системы в целом, существенным образом характеризуется спонтанностью — акты поведения не являются строго детерминированными.
7. Процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности противоположной направленности, и могут в отдельные фазы существования системы как преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс). При этом система в целом может иметь устойчивую тенденцию или претерпевать колебания к эволюции либо деградации и распаду. Самоорганизация может иметь в своей основе процесс преобразования или распада структуры, возникшей ранее в результате процесса организации.
Приведенное развернутое определение является если и не вполне совершенным, то все–таки необходимым шагом на пути конкретизации содержания, которое относится к синергетике, и выработки критериев для создания моделирующей самоорганизующейся среды.
О соотношении синергетики и самоорганизации следует вполне определенно сказать, что содержание, на которое они распространяются, и заложенные в них идеи неотрывны друг от друга. Они, однако, имеют и различия. Поэтому синергетику как концепцию самоорганизации следует рассматривать в смысле взаимного сужения этих понятий на области их пересечения.
94. Строение и структура молекул ДНК и РНК. Генетический код.
Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК ) — один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранениеинформации о структуре РНК и белков.
В клетках эукариотов (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащихвирусов.
С химической точки зрения, ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит изазотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».
В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.
Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер (полианион), мономером которого является нуклеотид.
Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты присоединённого по 5'-положению ксахару дезоксирибозе, к которому также через гликозидную связь (C—N) по 1'-положению присоединено одно из четырёх азотистых оснований. Именно наличие характерного сахара и составляет одно из главных различий между ДНК и РНК, зафиксированное в названиях этих нуклеиновых кислот (в состав РНК входит сахар рибоза). Пример нуклеотида — аденозинмонофосфат — где основание, присоединённое к фосфату и рибозе, это аденин, показан на рисунке.
Исходя из структуры молекул, основания, входящие в состав нуклеотидов, разделяют на две группы: пурины (аденин [A] и гуанин [G]) образованы соединёнными пяти- и шестичленным гетероциклами; пиримидины (цитозин [C] и тимин [T]) — шестичленным гетероциклом.
В виде исключения, например, у бактериофага PBS1, в ДНК встречается пятый тип оснований — урацил ([U]), пиримидиновое основание, отличающееся от тимина отсутствием метильной группы на кольце, обычно заменяющее тимин в РНК.
Следует отметить, что тимин и урацил не так строго приурочены к ДНК и РНК соответственно, как это считалось ранее. Так, после синтеза некоторых молекул РНК значительное число урацилов в этих молекулах метилируется с помощью специальных ферментов, превращаясь в тимин. Это происходит в транспортных и рибосомальных РНК.
Полимер ДНК обладает довольно сложной структурой. Нуклеотиды соединены между собой ковалентно в длинные полинуклеотидные цепи. Эти цепи в подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, обладающих одноцепочечными ДНК-геномами) попарно объединяются при помощи водородных связей в структуру, получившую название двойной спирали. Остов каждой из цепей состоит из чередующихся фосфатов исахаров. Фосфатные группы формируют фосфодиэфирные связи между третьим и пятым атомами углерода соседних молекул дезоксирибозы в результате взаимодействия между 3'-гидроксильной (3'—ОН) группой одной молекулы дезоксирибозы и 5'-фосфатной группой (5'—РО3 ) другой. Асимметричные концы цепи ДНК называются 3' (три прим) и 5' (пять прим). Полярность цепи играет важную роль при синтезе ДНК (удлинение цепи возможно только путём присоединения новых нуклеотидов к свободному 3'-концу).
Как уже было сказано выше, у подавляющего большинства живых организмов ДНК состоит не из одной, а из двух полинуклеотидных цепей. Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали, стабилизированной водородными связями, образующимися между обращёнными друг к другу азотистыми основаниями входящих в неё цепей. В природе эта спираль, чаще всего, правозакрученная. Направления от 3'-конца к 5'-концу в двух цепях, из которых состоит молекула ДНК, противоположны (цепи «антипараллельны» друг другу).
Ширина двойной спирали составляет от 22 до 24 Å, или 2,2 — 2,4 нм, длина каждого нуклеотида 3,3 Å (0,33 нм). Подобно тому, как в винтовой лестнице сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках между фосфатным остовом молекулы можно видеть рёбра оснований, кольца которых расположены в плоскости, перпендикулярной по отношению к продольной оси макромолекулы.
В двойной спирали различают малую (12 Å) и большую (22 Å) бороздки. Белки, например, факторы транскрипции, которые присоединяются к определённым последовательностям в двухцепочечной ДНК, обычно взаимодействуют с краями оснований в большой бороздке, где те более доступны.
Рибонуклеи́новые кисло́ты (РНК ) — нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие отДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания — аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, содержащей вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах.
Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами —РНК-полимеразами. Затем матричные РНК (мРНК) подвергаются сплайсингу и принимают участие в процессе, называемом трансляцией. Трансляция — это синтезбелка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Для одноцепочечных РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.
Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотическихматричных РНК и других процессах.
Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы) у отдельных РНК обнаружена собственная энзиматическая активность, способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.
Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, которая была способна к самовоспроизведению в добиологических системах.
Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином и гуанином, аденином и урацилом, а также между гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденинов могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырёх нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин — гуанин.
Важная структурная особенность РНК, отличающая её от ДНК — наличие гидроксильной группы в 2' положении рибозы, которая позволяет молекуле РНК существовать в А, а не В-конформации, наиболее часто наблюдаемой у ДНК. У А-формы глубокая и узкая большая бороздка и неглубокая и широкая малая бороздка. Второе последствие наличия 2' гидроксильной группы состоит в том, что конформационно пластичные, то есть не принимающие участие в образовании двойной спирали, участки молекулы РНК могут химически атаковать другие фосфатные связи и их расщеплять.
«Рабочая» форма одноцепочечной молекулы РНК, как и у белков, часто обладает третичной структурой. Третичная структура образуется на основе элементов вторичной структуры, образуемой с помощью водородных связей внутри одной молекулы. Различают несколько типов элементов вторичной структуры — стебель-петли, петли и псевдоузлы. В силу большого числа возможных вариантов спаривания оснований предсказание вторичной структуры РНК — гораздо более сложная задача, чем предсказание вторичной структуры белков, но в настоящее время есть эффективные программы, например, mfold.
Примером зависимости функции молекул РНК от их вторичной структуры являются участки внутренней посадки рибосомы (IRES). IRES — структура на 5' конце информационной РНК, которая обеспечивает присоединение рибосомы в обход обычного механизма инициации синтеза белка, требующего наличия особого модифицированного основания (кэпа) на 5' конце и белковых факторов инициации. Первоначально IRES были обнаружены в вирусных РНК, но сейчас накапливается всё больше данных о том, что клеточные мРНК также используют IRES-зависимый механизм инициации в условиях стресса.
Многие типы РНК, например, рРНК и мяРНК в клетке функционируют в виде комплексов с белками, которые ассоциируют с молекулами РНК после их синтеза или (у эукариот) экспорта из ядра в цитоплазму. Такие РНК-белковые комплексы называются рибонуклеопротеиновыми комплексами или рибонуклеопротеидами.
Генети́ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.
В ДНК используется четыре нуклеотида — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавитгенетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом — урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.
Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален почти для всех живых организмов.
Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза иРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матрице иРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания [Текст]: учеб. пособие для вузов по соц.-экон. спец. — М.: Академия, 2008. — 607 с.
2. Князева, Е.Н., Курдюмов, С.П. Синергетика: нелинейность времени и ландшафты коэволюции [Текст] / РАН, Ин-т философии, Ин-т прикл. математики им. М.В. Келдыша; вступ. ст. Г.Г. Малинецкого — М.: КомКнига, 2007. — 258 с.
3. Пехов, А.П. Биология с основами экологии [Текст]: учеб. для студентов вузов по естественнонауч. спец. и направлениям — СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2004. — 687 с.
4. Бабушкин, А.Н. Современные концепции естествознания [Текст]: курс лекций; учеб. пособие по дисциплине «Концепции совр. естествознания» для гуманит. направлений и спец. — СПб. [и др.]: Лань: Омега-Л, 2004. — 222 с.
5. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания [Текст]: учеб. пособие для вузов по гуманит. направлениям и спец. — М.: Академия, 2007. — 495 с.
www.ronl.ru
ЦВЕТ, СВЕТ И ЗРЕНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
Введение |
1. Свет |
2. Органы зрения |
2.1. Основные тенденции развития органов зрения в животном мире |
2.2. Цветовое зрение |
3. Зрительный анализатор человека |
3.1. Строение глаза |
3.2. Оптическая система |
3.3. Адаптация |
3.4. Световая и цветовая чувствительность |
4. Фотохимическая теория зрения |
5. Объяснение цвета тел |
Заключение |
Список использованной литературы |
Приложения |
ВВЕДЕНИЕ
Учение о свете и световых явлениях составляет раздел физики, называемый оптикой.
Знание основных оптических законов имеем большое познавательное и практическое значение.
Мы живем в мире разнообразных световых явлений. Многие из ни, например такие, как вечерние зори, когда небо и облака над горизонтом как будто пылают в огне; радуга, простирающаяся от горизонта до горизонта, или полярные сияния, наблюдающиеся в полярных широтах, весьма красочны. Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными.
Чтобы выяснить причины тех или иных световых явлений, нужно обнаружить связь наблюдаемого явления с другими явлениями и объяснить его на основании определенного закона природы. Тогда загадочность явления исчезнет, и мы приобретем о нем научное знание.
В повседневной жизни мы встречаемся со многими световыми явлениями, но обычно не задумываемся над ними – настолько они привычны для нас, а вот объяснить их часто затрудняемся. Например,
чайная ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам надломленной или сломанной, в зависимости от того, с какой стороны мы смотрим на ложку.
А вот пример более сложного светового явления. Мы видим окружающие нас предметы многоцветными при освещении солнцем или яркой лампой, но с наступлением сумерек или при ослаблении света цветность предметов блекнет.
На основе законов оптики возникла оптическая и осветительная техника.
Оптическая техника получила свое развитие благодаря изобретению и использованию линз. Линзы составляют главную основу оптических приборов. Каждому теперь известны очки, лупа, микроскоп, бинокль, телескоп и др.
Но самым главным и ценнейшим для нас является живой оптический – наш орган зрения – глаз.
1. СВЕТ – ИСТОЧНИК ЗРЕНИЯ
Когда мы при дневном свете смотрим на различные тела, Тела окружающие нас, мы видим их окрашенными в различные цвета. Так трава и листья деревьев – зеленые, цветы – красные или синие или желтые или фиолетовые. Есть также черные, белые, серые тела. Вс6е это не может не вызывать удивление. Казалось бы, все тела освещены одним и тем же светом – светом Солнца. Почему же различны их цвета
Будем исходить из того, что свет – электромагнитная волна, то есть распространяющая переменное электромагнитное поле. В солнечном свете содержаться волны, в которых электрическое и магнитное поля колеблются с различными частотами.
Всякое же вещество состоит из атомов и молекул, содержащих заряженые частицы, которые взаимодействуют друг с другом. Поскольку частицы заряжены под действием электрического поля они могут двигаться, а если поле переменное – то они могут совершать колебания, причем каждая частица в теле имеет определенную собственную частоту колебаний.
Это простая, хотя не слишком точная картина позволит нам понять, что происходит при взаимодействии света с веществом.
Когда на тело падает свет, электрическое поле, ‘принесенное’ им, заставляет заряженные частицы в теле совершать вынужденные колебания (поле световой волны переменное). При этом у некоторых частиц их собственная частота колебаний может совпадать с какой-то частотой колебаний поля световой волны. Тогда, как известно, произойдет явление резонанса – резкого увеличения амплитуды колебаний. При резонансе энергия, принесенная волной, передается атомам тела, что в конечном счете вызывает его нагревание. О свете, частота которого попала в резонанс говорят, что он поглотился теплом.
Но какие то волны из падающего света не попадают в резонанс. Однако они тоже заставляют колебаться с малой амплитудой. Эти частицы сами становятся источником так называемых вторичных электромагнитных волн тлой же частоты. Вторичные волны, складываясь с падающей волной, составляют отраженный или проходящий свет.
Если тело непрозрачное, то поглощение и отражение все, что может произойти с падающим на тело светом: не попавший в резонанс свет отражается, попавший – поглощается. В этом и состоит “секрет” цветности тел. Если например из состава падающего солнечного света в резонанс попали колебания, соответствующий красному цвету, то в отраженном свете их не будет. А наш глаз устроен так, что солнечный свет, лишенный своей красной части, вызывает ощущение зеленого цвета. Окраска непрозрачных тел зависит, таким образом, от того, какие частоты падающего света отсутствуют в свете, отраженным телом.
Существуют тела, в которых заряженные частийы имеют так много различных собственных частот колебаний, что каждая или почти каждая частота в падающем свете попадает в резонанс. Тогда ведь падающий свет поглощается, и отражаться просто нечему. Такие тела называют черными, то есть телами черного цвета.
2.ОРГАНЫ ЗРЕНИЯ И ИХ ЭВОЛЮЦИЯ.
2.1Основные тенденции развития органов зрения в животном мире.
Органы многоклеточных животных (кроме губок), обеспечивают восприятие световых раздражений. Основные элементы органов зрения — светочувствительные клетки (фоторецепторы). Простые органы зрения (например, у дождевых червей) состоят из светочувствительных клеток без пигмента, рассеяных среди эпителиальных клеток наружного покрова. Они воспринимают лишь изменения в интенсивности освещения и не реагируют на направление падаюшего света. У пиявок образуются скопления светочувствительных клеток, подостланные или заэкранированные пигментными клетками, которые изолируют светочувствительные клетки от боковых лучей, что позволяет различать не только интенсивность, но и направление падающего света. У некоторых медуз и плоских червей органы зрения — разрозненные светочувствительные клетки, концентрирующиеся в глазные пятна (стигмы). Дальнейшее усложнение органов зрения привело к углублению эпителия глазного пятна в глазной бокал. Если края его смыкаются, органы зрения принимают форму пузырька, заполненного студнеобразным веществом, образующим стекловидное тело. Такое постепенное развитие органов зрения характерно для многощетинковых червей и молюсков. Зрительные клетки таких органов зрения лежат под эпителием и вместе с пигментными клетками образуют сетчатку. У многих членистоногих органы зрения представлены фасеточными глазами. Дальнейшее усовершенствование пузырчатого органа зрения приводит к увеличению числа фоторецепторов, появлению роговицы, радужной оболочки со зрачком хрусталика, особого аккомодационного приспособления и мускулатуры, служащей для движения самого глаза. Органы зрения развиваясь независимо в различных филогенетических ветвях животного мира, на высших ступенях приобретают сходное строение. При этом ведущим фактором эволюции органов зрения по-видимому, была тенденция оптимального сочетания процессов как большего использования энергии светового потока, таки улучшение избирательной чувствительности
Каждое животное видит мир по-своему. Сидя в засаде, лягушка видит только движущиеся предметы: насекомых, на которых они охотятся, или своих врагов. Чтобы увидеть все остальное, она должна сама начать двигаться.
Сумеречные и ночные животные (например, волки и другие хищные звери), как правило, почти не различают цветов.
А вот стрекоза хорошо различает цвета, но только… нижней половиной глаз. Верхняя половина смотрит в небо, на фоне которого добыча и так хорошо заметна.
О хорошем зрении насекомых мы можем судить хотя бы по красоте цветков растений — ведь эта красота предназначена природой именно для насекомых-опылителей. Но мир, какими они его видят, сильно отличается от привычного нам.
Цветки, которые опыляют пчелы, обычно не окрашены в красный цвет: пчела этот цвет воспринимает, как мы — черный. Зато, вероятно, многие невзрачные на наш взгляд цветы приобретают неожиданное великолепие в ультрофиолетовом спектре, в котором видят насекомые. На крыльях некоторых бабочек (например, лимонницы) имеются узоры, скрытые от человеческого глаза и видимые только в ультрофиолетовых лучах.
Удивительным образом используют особенности зрения насекомых некоторые пауки, поджидающие своих жертв внутри цветков. Разумеется, будущая жертва, садясь на цветок, не должна замечать паука, между тем, на брюшках многих таких пауков бросаются в глаза яркие красные пятна. Чем это объяснить? Оказывается, когда на тех же пауков взглянули, так сказать, глазами насекомых, пятна стали совершенно незаметными. Зато птицам, которые могут склевать пауков, отпугивающие пятна заметны превосходно. Значит, паук «загримирован» для насекомых, но «ярко раскрашен» для птиц.
Кстати говоря, насекомые определяют положение солнца, чтобы находить дорогу, даже в пасмурные дни. Ультрафиолетовые лучи свободно проходят сквозь слой облаков. Когда муравьев в ходе опыта стали облучать сильными ультрафиолетовыми лучами, они побежали укрываться «в тень» не под защиту пропускавшей ультрафиолет темной дощечки, а под прозрачное, на наш взгляд, стекло, задерживающее эти лучи.
2.2. Цветовое зрение.
Важное свойство зрительного восприятия человека – видение в цвете – объясняет теория цветного видения. Эта теория исходит из того, что в глазу есть три типа светочувствительных приемников, отличающихся друг от друга разной чувствительностью к разным частям спектра – красной, зеленой и сине-голубой. Цветовое ощущение возникает в колбочках. Пока не установлено, имеются ли приемники всех трех типов в каждой колбочке или существуют три различных вида колбочек.
Глаз обычного человека может различать около 160 цветов. Тренированный глаз художника и красильщика в состоянии различать свыше 10000 цветных тонов.
Встречаются люди (более 1% мужчин и около 0.1% женщин), зрение которых характеризуется отсутствием приемников одного из указанных выше типов. Еще реже (примерно один или миллион) встречаются люди, у которых есть приемники лишь одного типа. Первая группа людей – дихроматы – различают меньше цветов, чем люди с нормальным зрением; вторая – монохроматы – совсем не различают цвета.
Для получения цветного ощущения важен не только спектральный состав отраженного или испускаемого наблюдаемым объектом света, но и мощность излучения других расположенных рядом предметов.
Цвет многое значит в нашей жизни. Механизм цветного воздействия пока несет, хотя накоплено множество интересных экспериментальных факторов. Известно, что красный цвет возбуждает, черный угнетает, зеленый успокаивает, желтый создает хорошее настроение.
Способность человеческого организма реагировать на цвет – основа одного из направлений натуртерапии – лечение природными средствами. Доказано, что черный цвет может замедлить течение инсульта и малярии, красный помогает при лечении бронхиальной астмы, кори, рожистых заболеваний кожи, голубой замедляет пульс и понижает температуру. Больным глаукомой полезно носит очки с зелеными стеклами, а гипертоникам – с дымчатыми. Исследования показали, что при красном свете снижается слуховая чувствительность человека, а при зеленом отмечено ее повышение. “Холодные” тона стимулируют белковый обмен, а “теплые”, наоборот, тормозят. Если школьный класс окрасить в белый, бежевый или коричневый тона, то улучшится успеваемость и дисциплина учащихся. В производственных помещениях, окрашенных в голубой и бежевые цвета, повышается производительность труда.
3.ЗРИТЕЛЬНЫЙ АНОЛИЗАТОР ЧЕЛОВЕКА
3.1Строение глаза.
Глаз – орган зрения, воспринимающий световые раздражения; является частью зрительного анализатора, который включает также зрительный нерв и зрительные центры, расположенные в коре головного мозга.
Глаз, глаз или глазное яблоко, имеет шаровидную форму и помещается в костной воронке – глазнице. Сзади и с боков он защищен от внешних воздействий костными стенками глазницы, а спереди – веками.
Веки представляют собой две кожные складки. В толще век заложена плотная соединительно-тканная пластинка, а также круговая мышца, замыкающая глазную щель. По свободному краю век растут ресницы (100 – 150 на верхнем веке и 50 – 70 на нижнем) и открываются протоки сальных железок. Ресницы защищают глаз от попадания в него инородных тел (частиц пыли). Внутренняя поверхность век и передняя часть глазного яблока, за исключением роговицы, покрыта слизистой оболочкой – конъюнктивой. У верхненаружного края глазницы расположена слезная железа, которая выделяет слезную жидкость, омывающую глаз. Равномерному ее распределению на поверхности глазного яблока способствует мигание век. Слезы, увлажняя глазное яблоко, стекают по передней его поверхности к внутреннему углу глаза, где на верхнем и нижнем веках имеются отверстия слезных канальцев (слезные точки), вбирающие слезы. Слезные канальцы впадают в слезно носовой канал, открывающийся в нижний носовой ход.
Движение глазного яблока и их согласованность осуществляются при помощи шести глазных мышц. Глазное яблоко имеет несколько оболочек. Нижняя – склера, или белочная оболочка, — плотная непрозрачная ткань белого цвета. В передней части глаза она переходит в прозрачную роговицу, как бы вставленную в склеру подобно часовому стеклу. Под склерой расположена сосудистая оболочка глаза, состоящая из большого количества сосудов. В переднем отделе глазного яблока сосудистая оболочка переходит в ресничное (цилиарное) тело и радужную оболочку (радужку). В ресничном теле заложена так называемая цилиарная мышца, связанная с хрусталиком (прозрачное эластичное тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы), и регулирующая его кривизну. Радужка расположена за роговицей. В центре радужки имеется круглое отверстие – зрачок. В радужке расположены мышцы, которые изменяют величину зрачка, и в зависимости от этого в глаз попадает большее или меньшее количество света. Ткань радужной оболочки сдержит особое красящее вещество (пигмент) – меланин. В зависимости от его количества цвет радужки колеблется от серого и голубого до коричневого, почти черного. Цветом радужки определяется цвет глаз. При отсутствии в ней меланина лучи света проникают в глаз не только через зрачок, но и через ткань радужки. При этом глаза имеют красноватый оттенок. Недостаток пигмента в радужке часто сочетается с недостаточной пигментацией остальных частей глаз, кожи, волос. Таких людей называют альбиносами. Зрение у них обычно значительно понижено.
Между роговицей и радужкой, а также между радужкой и хрусталиком имеются небольшие пространства, называемые соответственно передней и задней камерами глаза. В них находится прозрачная жидкость – так как называемая водянистая влага. Она снабжает питательными веществами роговицу и хрусталик, которые лишены кровеносных сосудов. В глазу происходит непрерывная циркуляция жидкости. Процесс ее обновления – необходимое условие правильного питания тканей глаза. Количество циркулирующей жидкости постоянно, что обеспечивает относительное постоянство внутриглазного давления. Полость глаза позади хрусталика заполнена прозрачной желеобразной массой – стекловидным телом. Внутренняя поверхность глаза выстлана тонкой, весьма сложной по строению, оболочкой – сетчаткой, или ретиной. Она содержит светочувствительные клетки, названные по их форме колбочками и палочками. Нервные волокна, отходящие от этих клеток, собираются вместе и образуют зрительный нерв, который направляется в головной мозг.
Глаз человека представляет собой своеобразную оптическую камеру, в которой можно выделить светочувствительный экран – сетчатку и светопреломляющие среды, главным образом роговицу и хрусталик. Хрусталик специальной связкой соединен с цилиарной мышцей, располагающейся широким кольцом позади радужки. С помощью этой мышцы хрусталик меняет свою форму – становится более или менее выпуклым и соответственно сильнее или слабее преломляет попадающие в глаз лучи света. Это способность хрусталика называется аккомодацией. Она позволяет отчетливо видеть предметы, расположенные на различном расстоянии, обеспечивая совмещение фокуса попадающих в глаз лучей от рассматриваемого предмета с сетчатой оболочкой.
Преломляющую способность глаза при покое аккомодации, то есть когда хрусталик максимально уплощен, называют рефракцией глаза. Различают три вида рефракции глаза: соразмерную (эмметропическую), дальнозоркую (гиперметропическую) и близорукую (миопическую). В глазу соразмерной рефракцией параллельный лучи, идущие от предметов, пересекаются на сетчатке. Это обеспечивает отчетливое видение предмета. Дальнозоркий глаз обладает относительно слабой преломляющей способностью. В нем параллельные лучи, идущие от далеких предметов, пересекаются за сетчаткой.
В близоруком глазу параллельные лучи, идущие от далеких предметов пересекаются впереди сетчатки, не доходя до нее.
Близорукий глаз хорошо видит только близко расположенные предметы. О степени дальнозоркости или близорукости судят по оптической силе линзы; приставленная к глазу в условиях покоя аккомодации, она так изменяет направление попадающих в него параллельных лучей, что они пересекаются на сетчатке. Оптическая сила линзы определяется в диоптриях. Различают дальнозоркость и близорукость слабой степени (до 3 дптр), средней (от 4 до 6 дптр) и высокой (более 6 дптр). Рефракция обоих глаз не всегда бывает одинаковой, например близорукость одного глаза и дальнозоркость другого глаза или разная их степень на обоих глазах. Такое состояние называют анизометропией.
Для ясного видения фокус попадающих в глаз лучей должен совпадать с сетчаткой. Но это не единственное условие. Для различения деталей предмета необходимо, чтобы его изображение попало на область желтого пятна сетчатки, расположенную прямо против зрачка. Центральный участок желтого пятна является местом наилучшего видения. Воображаемую линию, соединяющую рассматриваемый предмет с центром желтого пятна, называют зрительной линией, или зрительной осью, а способность одновременно направлять на рассматриваемый предмет зрительные линии обоих глаз – конвергенцией. Чем ближе зрительный объект, тем больше должна быть конвергенция, то есть степень схождения зрительных линий. Между аккомодацией и конвергенцией имеется известное соответствие: большее напряжение аккомодацией требует большей степени конвергенции и, наоборот, слабая аккомодация сопровождается меньшей степенью схождения зрительных линий обоих глаз.
3.2 Оптическая система глаза.
Зная, как устроен глаз позвоночных, фотоаппарат можно изобрести заново, настолько схожи основные принципы их устройства. Объектив нашего глаза как и у фотоаппарата, составной. Одна часть, роговица, — с неизменяемым фокусным расстоянием; другая, хрусталик, изменяет свою кривизну, автоматически устанавливая резкое изображение того предмета, который привлек наше внимание. О такой автоматике кино- и телеоператоры могут только мечтать.
У осьминога и некоторых рыб кривизна хрусталика постоянна, и они “наводят на резкость”, изменяя расстояние между хрусталиком и сетчаткой; именно этот принцип используют конструкторы фотоаппаратов. У моллюсков наутилус, живущих в тропических морях (другое название – кораблики), совсем нет линз, и они обходятся маленьким отверстием в глазе. Технический аналог – дырочка в стенке камеры-обскуры, фотоаппарата без линз, который многие годы из нас сами мастерили в детстве.
Хрусталик по совместительству выполняет роль светофильтра. Он не пропускает ультрафиолетовые лучи, которые могут повредить сетчатку, и поэтому слегка желтый на просвет. С годами хрусталик желтеет сильнее, и человек уже не видит всего богатства фиолетовой части спектра. Так что, когда говорится о яркости мира ребенка, надо иметь в виду не только психологическую свежесть восприятия, но и физически более широкий диапазон цветовой информации. Между прочим, и слуховой диапазон у детей шире. Они воспринимают ультразвук частотой до 40 кГц.
Но вернемся к зрению. Светосила нашего объектива (отношение площади зрачка к квадрату фокусного расстояния) до 1:3 – это неплохо для угла зрения около 100 в любой плоскости. У лучших фотообъективов светосила 0.8:1, но четкое изображение они дают только для угла около 45. В прочем, наш объектив фокусирует изображение не на плоскость, а на часть сферы, что намного упрощает дело. Иногда из-за тех или иных дефектов глаза хрусталик не в состоянии “навести на резкость”. Приходится ему помогать – носить очки.
Чтобы делать хорошие снимки при разной освещенности, в фотоаппарате предусмотрена диафрагма. В глазу ее роль выполняет радужная оболочка – цветное колечко, середину которого называют зрачком. В зависимости от освещенности наш зрачок автоматически меняет диаметр от 2 до 8 мм. Точно так же, как у фотоаппарата, при этом уменьшается глубина резкости. Люди, страдающие близорукостью или дальнозоркостью в слабой степени, хорошо знают, что на ярком свету они хорошо видят и без очков, а в сумерках контуры предметов или букв расплываются.
Пигментный эпителий, расположенный за сетчаткой, эффективно поглощает свет, чтобы уменьшить его рассеяние, иначе четкость изображения ухудшилась бы. Все оптические приборы с той же целью чернят изнутри. В глазах некоторых ночных животных светочувствительность увеличивается за счет четкости изображения. У них глазное дно отражает лучи, прошедшие через сетчатку. Так как оптическая плотность сетчатки равна 0.3 (около половины падающего на нее света поглощается), то отражение от глазного дна увеличивает количество поглощенного света еще на 25%.
Тем, кто пользуется зрением при низких освещенностях, вообще нет смысла заботиться о четкости изображения. Шумы, обусловленные квантовой природой света, накладывают жесткие ограничения на число деталей, которые можно разглядеть при заданном контрасте и освещенности. Обсуждение этого вопроса отняло бы слишком много места, но важно отметить, что зерно нашей черно-белой “пленки” периферии сетчатки – имеет диаметр 30-40 мкм, что соответствует требованиям, необходимым для различения в сумерках предметов, если они отражают света на 10% больше, чем фон. При худшем освещении сетчатка избыточна: зернистость изображения, обусловленная флуктуациям светового потока, будет больше зрена сетчатки. При лучших освещенностях мы переходим на цветную “пленку” – желтое пятно в центре сетчатки. Здесь размер зерна около 2 мкм – это как раз размер дифракционного кольца, соответствующего диаметра зрачка 2 мм. Таким образом, зерно “пленки” соответствует максимально достижимому качеству изображения как при низких, так при высоких освещенностях.
Отметим, что в отличие от фотоаппарата глаз обладает постоянным временем экспозиции – около 0.1 секунды. У нас, правда, нет затвора. Время экспозиции – это промежуток, в течение которого все фотоны, попавшие в глаз, воспринимаются как одновременные. Поэтому две вспышки, интервал между которыми меньше 0.1 секунды, мы воспринимаем как одну. Для того чтобы определить это время поточнее, проводили такие эксперименты. Испытуемым предъявляли вспышки равной энергии, но разной длительности и, следовательно, различной интенсивности (мощности). При длительности вспышки меньше 0.1 секунды объективное восприятие ее яркости не зависело от длительности – весь свет воспринимался как мгновенная вспышка. При больших длительностях восприятия яркости становится обратно пропорциональным продолжительности вспышки, то есть определяется ее интенсивностью.
И наконец, роль колпачка играют веки, в один миг, в прямом смысле этого слова, прикрывающие глазное яблоко при малейшей опасности. (Миг длится приблизительно 0.1 секунда.) Слезные железы смывают пыль с оптики и защищают глаз от бактерий. Таков наш природный оптический прибор.
3.3 Адаптация
В абсолютной темноте глаз ничего не видит. Речь пойдет об очень слабом освещении: вечером в темной комнате, ночью на неосвещенной улице, в поле или в лесу при свете луны и звезд. В этих условиях отражается от предметов и попадает в наши глаза неизмеримо меньше света, чем солнечным, ясным днем. Зрачки в темноте предельно расширены, но это не намного увеличивает освещенность сетчатки. Расширение зрачков хотя и важный, но в данном случае второстепенный приспособительный механизм. Большее значение имеет он при ярком освещении, когда зрачки суживаются, ограничивая количество света, падающего на сетчатку.
“Ничто не вечно под луной”…В конце 50-х годов были проведены психофизические опыты, которые позволили специалистам предположить, что адаптация не сводится лишь к изменениям концентрации зрительного пигмента родопсина в фоторецепторах: процессы приспособления к разным условиям яркости света гораздо сложнее, в них непременно должны участвовать и нервные клетки сетчатки (надо сказать что, помимо палочек и колбочек, сетчатка включает в себя по меньшей мере четыре различных типа нервных клеток).
Подтверждение этой гипотезы не заставило себя ждать. На помощь нейрофизиологам пришли микроэлектроды – тончайшие (в сотни раз тоньше волоса) стеклянные трубочки, заполненные солевым раствором и соединенные с усилителем биопотенциалов. Проводя такую “микропипетку” к отдельным нервным клеткам и меняя при этом размер вспыхивающего на экране светового пятна, исследователи убедились, что нейтроны сетчатки действительно активно участвуют в процессе адаптации зрительной системы.
Под рецептивным полем нейтрона (и сетчатки, и подкорки, и коры) понимают совокупность фоторецепторов сетчатки, сигналы с которых приходят к данному нейтрону. Рецептивные поля есть у всех нейронов зрительной системы, это как бы окошко, через которое нейтрон видит мир. Собственно, видят свет в прямом смысле этого слова только фоторецепторы. Все другие зрительные нейтроны воспринимают информацию в форме потока электрических импульсов, бомбардирующих (не удивляйтесь, это обиходный нейрофизиологический термин) их входы.
Только вот, у нейтронов разных отделов зрительной системы рецептивные поля сильно различаются по размеру, а в коре человека, приматов и хищных животных еще по форме. Нейтроны сетчатки и подкоркового зрительного центра наблюдают мир как бы через круглые окошки-иллюминаторы.
Нейтроны сетчатки и подкоркового зрительного центра описывают изображение поточечно. Это значит, что каждая нервная клетка этих структур, глядя на мир через свое круглое рецептивное поле – точку, информирует о событиях в ней высшие отделы системы.
Суть действий нейтронов-детекторов сводится к тому, что они как бы разнимают на составные части, сводя к простым любое сложное изображение, чтобы раздельно, независимо и параллельно проанализировать отдельные его признаки. Естественно, что на следующих этапах переработки зрительной информации происходит синтез перекодированных сведений в единый зрительный образ, который затем сличается с “библиотекой” образов нашей памяти; мозговые механизмы подают команду моторным центрам, оттуда идут приказы речевой и мимической мускулатуре, и мы с широкой улыбкой восклицаем: ”Здравствуй, дорогой Петя!” или кисло мямлим: ”Ах это вы, Дарья Ивановна…”
До недавнего времени считалось, что свойства нейтронов-детекторов зрительной коры жестко “запаяны”, то есть их рецептивные поля не перестраиваются при изменении внешних условий, и поэтому эти нейтроны не вносят сколько-нибудь существенного вклада в зрительный адаптационный процесс. Убеждение это основывалось, в частности, на том что в период становления детекторной нейрофизиологии эксперименты проводились, как правило, при неизменном световом фоне; работа детекторов не исследовалась в разных состояниях, как самой зрительной системы, так и организма в целом.
Психологи провели интересный и убедительный опыт: маленького котенка превращали в “рикшу” – он мог бегать, куда хотел, все трогать, но постоянно возил при этом за собой легкую тележку. В ней восседал второй котенок, который видел все то же, что и “рикша”, но ничего не мог потрогать. Через некоторое время ученые убедились, что в зрительном поведении котенка-седока появились серьезные дефекты, а “рикша” развивался нормально. На основании этих данных специалисты сделали выводы: для полноценного развития зрительных функций в частности и познавательной деятельности в целом важно не только видеть различные объекты внешнего мира, но выходить с ними в непосредственный осязательный, тактильный контакт.
Очень много для понимания роли корковых детекторов в процессах адаптации дали также опыты. Исследуя рецептивные поля зрительных корковых нейронов кошки в условиях адаптации к темноте, ученые получили поразительный факт. Несмотря на то, что число исследованных нейтронов дошло до десятков, а потом и до сотен, среди них было крайне мало классических нейронов-детекторов. Экспериментаторы терялись в догадках: куда же они исчезали? Да и вообще те ли это клетки, поведение которых столь подробно описано в многочисленных научных публикациях?
Проверка была элементарной: стоило включить свет в камере и “странный” нейрон очень быстро становился хорошо знакомым детектором. И сколько раз повторяли переход от света к темноте и опять к свету, столько раз изменялись свойства поля нейрона, причем вся перестройка занимала не более десятков секунд.
Стало ясно, что в темноте нейроны не исчезают, а только резко меняют свой облик. И глядят они на мир не из узких “бойниц” и “щелей”, а через широкие окна круглой или эллиптической формы. Они как бы приближаются в этом отношении к нервным клеткам сетчатки, и поэтому и было предложено называть это явление ретинализацией зрительной коры (по латыни сетчатка – геtina). Дальнейшие опыты показали, что не все детекторы ретинализируются в темноте: 10% из них как бы игнорируют адаптацию и не меняют свои рецептивные поля, а еще 20-25 процентов нейронов ведут себя довольно ехидно – в темноте не только не снижают или утрачивают, но напротив, усиливают, обостряют свои детекторные свойства.
Ничто не дается даром, и потому в процессе адаптационных перестроек зрительная система и отдельные ее нейроны не только что-то приобретают, но и что-то теряют. В темноте они теряют тонкость зрительного анализа. Не говоря уже о цветовом зрении. В сумерках оно утрачивает, именно поэтому ночью все кошки серы.
3.4Световая и цветовая чувствительность.
В опытах Вавилова по квантовым флуктуациям света проводились наблюдения соседних участков интерференционного максимума и минимума при интерференции зеленого света. При обычных интенсивностях света интерференционная картина в этих участках не изменялась во времени. Затем интенсивность света уменьшалась до порога зрительного восприятия света. Учитывая, что зеленому свету соответствует длина волны около 500 нм, а диаметр адаптированного к темноте зрачка составляет около 8 мм, нетрудно убедиться, что пороговый интенсивности зеленого света соответствует 20-25 фотонов в секунду. При этом оказалось следующее: участки в темных полосах всегда оставались темными, а участки в светлых полосах иногда “гасли”, но тут же снова “вспыхивали”, причем эти колебания освещенности появлялись во времени беспорядочно, хаотически.
Результаты этих опытов по классическому эффекту – интерференции – объясняются квантовыми свойствами света. В самом деле, бывают случаи, когда в интерференционные максимумы попадает либо больше фотонов, чем соответствует порогу зрительного восприятия света, либо меньше его. Значит, плотность фотонов в световом потоке флуктуирует. Поэтому видны “вспышки” (если фотонов немного больше) или соответственно “гашение” света на отдельных участках (если фотонов немного меньше). Эти флуктуации имеют статистический характер, чем объясняется нерегулярное появление светлых участков.
4.ФОТОХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЗРЕНИЯ
5.ОБЪЯСНЕНИЕ ЦВЕТА ТЕЛ
Окружающий нас мир красочен. Это объясняется сложностью солнечного света. Но как объяснить, что листья растений мы видим зелеными, пионерский галстук – красным, подсолнечник – желтым, Василек – синим, писчую бумагу – белой, а классную доску – черной? Обратимся к опыту.
Получим на экране с помощью треугольной стеклянной призмы спектр и закроем его лентой красного цвета. Мы видим, что только в
Красной части спектра лента выглядит ярко-красной. Во всех других частях спектра она черная. Это происходит потому, что лента, на которую падает свет всех спектральных цветов, отражает только красный свет, а свет других цветов поглощает.
Если проделать такой опыт с зеленой лентой, то окажется, что она только в зеленой части спектра выглядит ярко-зеленой. В других частях спектра она темная.
Опыт, показывает, что цвет тела, освещаемого белым светом, зависит только от того, свет какого цвета это тело рассеивает.
Если тело равномерно рассеивает все составные части белого света, то при обычном освещении оно кажется белым, например писчая бумага. Если тело, например сажа, поглощает весь падающий на него свет, то оно кажется черным.
Различные тела не только неодинаково рассеивают свет различной цветности, но также неодинаково и пропускают свет сквозь себя. Такие прозрачные тела называют светофильтрами.
В неодинаковой цветности прозрачных тел можно убедиться на опыте. Если за призмой на пути разложенного белого пучка света по очереди ставить цветные стекла, то цветность полоски спектра на экране будет изменяться.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Свет имеет очень большое значение для жизни человека. Изучив данную тему можно сделать следующие выводы:
— Свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом: является электромагнитной волной, но при излучении и поглощении ведет себя как поток частиц – фотонов;
— Понятие цвета связано с длиной волны и частотой. А так же способностью тел поглощать электромагнитные волны;
— Глаз является сложной оптической системой. Он способен отличать электромагнитные волны оптического диапазона разной частоты, т. е. отличать свет.
— Глаз человека наиболее чувствителен к волнам 546 Нм, что соответствует зеленому цвету.
— Электромагнитные волны оптического диапазона разной частоты могут влиять на нервную систему.
— Объяснение зрения дано на основе фотохимической теории света.
— На основе физических законов можно объяснить такие явления как: — голубой цвет неба
— белый цвет облаков
— красные листья и т. д.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Багданов К. Б. Физика в гостях у биолога М: Наука, 1986
2. Перышкин А. В., Чемакин В. П. Факультативный курс физики, 1980
3. Глазунов А. Т., Курминский И. И., Пинский А. А., Квантовая физика, 1989
4. Научно — популярный физико-математический журнал «Квант», 1987
5. Попов Г. В., П-58, Спектроскопия и цвета тел в курсе физики средней школы. М: «Просвещение», 1971
6. Чандаева С. А., Физика и человек, АО»Аспект пресс», 1994.-336с.
7. Гриффин Д, Новиков Э, Живой организм. Пер. с англ. Б.Д.Васильева. М: «Мир», 1983
www.ronl.ru
1. Какая наука лежит в основе всей системы естествознания ?
В настоящее время спектр научных исследований в естествознании необыкновенно широк. В систему естественных наук, помимо основных наук: физики, химии и биологии включается также и множество других – география, геология, астрономия, и даже науки,стоящие на границе между естественными и гуманитарными науками - например, психология. Целью психологов является изучение поведения человека и животных. С одной стороны психология опирается на научные достижения поведения биологов, работающих в отрасли физиологии высшей нервной деятельности и наблюдающих за деятельностью мозга. С другой стороны, эта наука занимается и социальными, т.е. общественными явлениями, привлекая знания из области социологии. Экономистам не обойтись без знания географии и математики, философам – без основ натурфилософии, рестовраторы старинных картин прибегают к помощи современной химии и т.д.
Истоки сложного мира,которые нас окружают, заключаются в гармоничном устройстве его Природы,постоянно вступают во взаимоотношения с ней.
Современное естествознание - это не совокупность наук о Природе, это единая система, компоненты которой (естественные науки) являются настолько тесно взаимосвязанными,что вытекают друг из друга, т.е. представляют подлинное единство.
Отличием естествознания от специальных наук является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, «выискивая» наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривает Природу как бы сверху.
2. Как называется наука, предметом изучения которой является вся природа в целом ?
Это наука естествознание. Отличием естествознания как науки от специальных естественных наук является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиции нескольких наук, «выискивая» наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривает Природу как бы сверху.
Естествознание, признавая специфику входящих в него наук (физики, химии, биологии, географии и д.р) в то же время имеет своей целью исследование Природы как единого целого.
3. В чем цель естествознания как учебной дисциплины ?
Изучение предметов по отдельности – физики, химии и биологии, — является лишь первой ступенью к познанию Природы во всей ее целостности, т.е. познанию ее законов с общей естественно-научной позиции. Отсюда вытекают и цели естествознания,которые представляют собой двойную задачу.
Цели естествознания :
1) Выявление скрытых связей, создающих органическое единство всех физических, химических и биологических явлений.
2) Более глубокое и точное познание самих этих явлений.
4. Какая универсальная наука применяется во всех отраслях естествознания ?
Выдающийся итальянский физик и астроном, один из создателей точного естествознания Галилео Галилей (1564-1642) сказал: «Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешенную задачу. Следует измерить то, что таковым не является».
Необходимая для такого естествознания математика начинается с простейших измерений. По мере своего развития точное естествознание использует все более совершенный арсенал так называемой высшей математики.
Математика, как логический вывод и средство познания Природы – творение древних греков, которым они начали всерьез заниматься за шесть веков до нашей эры. Начиная с 6 века до н.э. у греков сложилось понимание того, что Природа устроена рационально, а все явления протекают по точному плану –«математическому». Платон (428/427 – 348/347 до н.э.) – один из основоположников натуральной философии (философии Природы) начертал в качестве девиза своей философской школы слова: «Негеометр – да не войдет».
Галилео Галилей в одном из своих произведений, взвешивая все ничтожные философские аргументы одного из своих оппонентов, противопоставлял их истинную философию как открытую книгу Природы, доступную лишь тому, кто знает язык математики.
Немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) утверждал в своих «Метафизических началах естествознания», что: «В любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле (т.е. чистой, фундаментальной) лишь столько,сколько имеется в ней математики. Стоит привести и высказывание Карла Маркса (1818-1883) о том, что: «Наука только тогда достигает совершенства, когда ей удается пользоваться математикой».
Из всех высказываний великих людей, что математика – это «цемент», который связывает воедино науки, входящие в естествознание и позволяет взглянуть на него как на целостную науку. Не зря ее называют «царицей всех наук». Без логического аппарата математики не обойдется ни одна наука.
5. Что обозначает термин – «точноеестествознание» ?
Точное естествознание –это вполне оформленное, часто в математических формулах, точное знание обо всем, что действительно существует и может существовать во Вселенной. Но это знание не является окончательным итогом знаний о Природе, а лишь тем, что известно человечеству на данном этапе развития.
6.Что подразумевает понятие «редукционизм» в естествознании ?
В середине 19 века рядом естествоиспытателей и философом были выдвинуты идеи об иерархии наук в форме четырех ее последовательных ступеней : механика, физика,химия, биология.
Такого рода идеи о субординации естественных наук широко обсуждается и сегодня. При этом выделяют одну очень важную проблему: можно ли сводить все биологические явления к химическим, а химические – к физическим? Такое сведение «высшего» к «низшему» носит название редукционизма (от латинского reductio – возвращение, сведение к прежнему).
Согласно этой точке зрения, все химические явления, строение веществ можно объяснить посредством физических знаний.
7. В чем заключается сущность глобальной естественно-научной революции и кто из ученых завершил ее ?
Первой естественно-научной революцией, преобразовавшей астрономию, космологию и физику, было создание последовательного учения о геоцентрической системе мира, начатое еще в 6 веке до н.э. Анаксимандром и Аристотелем. Эту научную революцию естественно назвать Аристотелевой. Завершил ее Птолемей.
8. Какой представлялось Вселенная Аристотелю – Птолемею ?
В работе «О небе» он привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка (как считали в то время), а круглый шар ?
Во-первых, Аристотель догадывался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну лишь в том случае, если Земля имеет форму шара.
Во-вторых, из опыта своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в Северных. На Северном полюсе Полярная звезда находится прямо над головой наблюдателя. Человеку же на экваторе кажется, что она располагается на линии горизонта. Зная разницу в кажущемся расположении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел вычислить длину экватора. Правда эта длина получилась примерно в два раза больше. Но в те времена это было крупное научное открытие.
Аристотель полагал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и Звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам.
Птолемей (около 100-165 н.э.) превратил идею Аристотеля в полную космологическую модель геоцентрической системы мира.
Земля стоит в центре,окруженная восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и планеты. Что лежит за последней сферой не объяснялось.
9. Как называлась система мира, предложенная Коперником? Почему ?
Коперником была предложена идея гелиоцентрической Вселенной и движущейся Земли.
Коперник еще студентом познакомился с идеями о возможном движении Земли : ее вращением вокруг своей оси и обращением вместе с другими планетами вокруг Солнца, которое находится в центре мира.
10. Почему время от времени происходит радикальная смена естественно-научных представлений об окружающем нас мире ?
С развитием научной теории она по-новому описывает физическую реальность, т.е. появляются несоответствие между существовавшими научными выводами и теми выводами, которые получают ученые из новых теорий. В результате коренным образом меняется представление об окружающем нас мире.
11. Кто является автором «математических начал натуральной философии» ?
«Математические начала натуральной философии» написал Исаак Ньютон. Он сформировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения,разработал (наряду с Лейбницем) дифференциальное и интегральное исчисление.
12. Какие открытия в области физики предопределили третью естественно-научную революцию ?
В 1916г. Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, совершив еще один переворот в физических представлениях на сей раз о природе гравитационного взаимодействия. «Фундамент» этой теории был заложен в 1907г., когда Энштейн сформировал принцип эквивалентности. Пояснил сущность этого принципа. Термин «масса», относящийся по второму закону Ньютона, имеет смысл инертной массы – меры сопротивления тела любому изменению состояния его движения. Но понятие «масса» в ньютоновском законе всемирного тяготения имеет другой смысл – это тяготеющая масса или гравитационная масса. Еще Галилей утверждал, что все тела независимо от массы в гравитационном поле приобретают одинаковые ускорения. Отсюда вытекает равенство инертной и гравитационной масс. Сам факт их равенства и то, что все тела падают в гравитационном поле с одинаковым ускорением, называют иногда слабым принципом эквивалентности.
Принцип эквивалентности; неинерциальная система отсчета эквивалентна некоторому гравитационному полю.
Другим ключевым моментом в общей теории относительности было понятие кривизны пространства –времени.
Общая теория относительности в корне изменила наши представления о пространстве,времени, о Вселенной. Она привела к отказу от какого бы то ни было центризма.
Литагалактика - или вся наша наблюдаемая астрологическая Вселенная как единое целое – стала описываться однородной и изотропной безграничной релитивистской космологической моделью.
13. В чем сщнось Третьей глобальной естественно-научной революции ?
Третья глобальная естественно-научная революция радикально преобразовала научную картину мира, изменив астрономию, космологию и физику и означала полный отказ от всякого центризма.
14. Какова главная особенность космологической модели Вселенной Фридмана ?
Существуют три разные модели Фридмана, для которых выполняется космологический принцип. Все варианты модели Фридмана имеют общее: в какой-то момент времени в прошлом (десять, двадцать миллиардов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент (называемый Большим взрывом) плотность Вселенной и кривизна пространства времени должны быть бесконечными. Поскольку математики не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Такая точка называется особой или синигумерной.В этой точке наши теории неверны из-за бесконечной плотности материи и бесконечной кривизны пространства времени. Следовательно, если перед Большим взрывом и происходили какие-то события, по ним нельзя было спрогнозировать будущее. Следовательно, те события, которые происходили до Большого взрыва нужно исключить из модели и считать началом отсчета времени момент Большого взрыва.
15. Чем объясняется темный фон ночного неба ?
Вселенная не может представить собой константное распределение звезд, бесконечных по возрасту и размерам. Действительно, если бы это было не так, то каждыйвзгляд наблюдателя встречал бы звезду, но небо-то темное. Объяснение этого факта лежит в космологической модели расширяющейся Вселенной. Чем с большей скоростью она удаляется от нас, и тем больше красное смещение излучения источника от ее спектра. А красное смещение линий от ее спектра. А красное смещение излучения источника ослабляет его интенсивность. На определенном расстоянии красное смещение становится так велико, что мы уже не видим света источника. Согласно закону Хаббла (закон разбегания галактик) определенную границу имеет по крайней мере наблюдаемая часть Вселенной, т.е. красное смещение порождает космологический «горизонт», за который наш взгляд проникнуть уже не может. Так как след от объективов, лежащих за космологическим горизонтом, не доходит до нас, то нет никаких проблем и с темнотой ночного неба.
16. Что такое космологический принцип ?
Фридман сделал два очень простых предложения 6 во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее не наблюдали (изотропность Вселенной), и во-вторых,это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места (однородность Вселенной). Эти два предположения составляют так называемый космологический принцип.
17. Делимы ли протоны и нейтроны?
Эксперименты по взаимодействию показали, что протоны состоят из еще более мелких частиц. Их назвали кварками. Итак, протоны и нейтроны не являются неделимыми.
18. Что такое спин частицы и какими физическими свойствами частицы он определяется ?
Спин – вращательная характеристика частицы. Представим себе частицы в виде маленьких волчков, вращающихся вокруг своей оси. Однако в квантовой механики частицы не имеют вполне определенной оси вращения. Спин – частицы дают нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон. Например, частица со спином О похожа на точку, т. кора выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелкой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает прежний вид лишь после оборота на 360 градусов. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелкой заточенной с общих сторон: любое ее положение повторится с полуоборота (180 градусов). Частицы с более высоким спином возвращаются в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота.
S=0 S=1 S=2
Существуют частицы,которые после полного оборота не принимают прежнего вида: их нужно дважды полностью повернуть! Такие частицы называются спин ½.
19. Какой спин имеет частицы,составляющие вещество Вселенной ?
Все известные частицы можно разделить на две группы: 1) частицы со спином ½, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, легкие частицы и тяжелые частицы – гипероны) ; 2) частицы со спином 0,1 и 2,которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и частицы под общим названием мезоны).
20. В чем отличие электромагнитных сил от гравитационных ?
Гравитационная сила. Эти силы носят гравитационный характер. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы. Это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не ее два специфических свойства: гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.
В квантово – механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила,действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоит Земля и Солнце обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь вертикальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, т.к. этот эффект – вращение Земли вокруг Солнца. Реальные гравитоны распространяются в виде воли, но они очень слабые и их трудно зарегистрировать, это пока никому не удалось.
Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как гравитоны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 10^40 больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются.
21.Частицы с каким спином ответственны за взаимодействие?
В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0,1,2. Это происходит следующим образом. Частица вещества, например, электрон или кварк, испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия (например, фотон).
22. Что такое конфайнмент в кварковой теории ?
Сильное ядерное взаимодействие представляет собой взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство – оно обладает конфайнментом. Конфайнмент (ограничение,удержание) состоит в том, что частица всегда удерживается в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что тогда он должен иметь цвет (красный, зеленый, синий). Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон.
23. Зачем нужна единая теория Вселенной ?
Единая теория,охватывающая все взаимодействия «проливает свет» и на само наше существование. Не исключено, что наше существование есть следствие образования протонов. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной. Земное вещество в основном состоит из протонов,но в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов. Эксперименты с космическими лучами подтверждают, что то же самое справедливо и для всего вещества в нашей Галактике.
Но теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие.
Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, это означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией.
Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.
24. В чем выражается сущность четвертой глобальной естественно-научной революцией ?
Четвертая глобальная естественно-научная революция предопределяется необходимым, но окончательно еще никем не осуществляемым синтезом, доминирующим в макромасштабах общей теории относительности Эйнштейна с выступающими на передний план в микромасштабах квантовыми представлениями о строении материи в единую физическую теорию, объединяющую все четыре фундаментальных взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.
25. Какая наука из естественных наук является одновременно и научной и производством ?
Химия как наука с момента своего рождения ставила перед собой весьма практические цели и с тех пор она всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ по возможности все необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства,взрывчатые вещества и горючесмазочные материалы, каучук и пластмассы.
Поэтому все химические занятия, которые были приобретены в течение многих веков подчинены единственной главной задаче химии – задаче получения веществ с необходимыми свойствами.
Химия, как никакая другая естественная наука, тесно связана с производством новых веществ.
26. В чем суть основной проблемы химии ?
Основная двуединая проблема химии это :
1) получение веществ с заданными свойствами – производственная задача ;
2) выявление способов управления свойствами вещества – задача научного исследования.
27. Какие способы решения основной проблемы химии вам известны ?
Существуют четыре способа решения основной проблемы химии, которые связаны прежде всего с наличием всего четырех основных природных факторов, от которых зависят свойства получаемых веществ: основные природные факторы, влияюшие на свойства получаемых веществ :
1) состав вещества (элементарный, молекулярный) ;
2) структура молекул ;
3) термодинамические и кинетические условия химической реакции, в
процессе которой это вещество получается.
4) уровень организации вещества.
28. В чем различия между терминами «структура вещества» и «строение вещества» ?
Знание о составе вещества отвечает на вопрос о том, з каких химических элементов состоит молекула данного вещества. А знание структуры вещества дает представление о пространственном расположении атомов в этой молекуле.Под понятием «структура» понимают устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы.
Теория строения вещества Дж. Дальтона отвечает на вопрос: как можно отличить индивидуальное вещество от смесей веществ.
Согласно его теории,любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул,обладающих строго определенного качества атомов одного, двух или трех химических элементов.
29. Что такое химические катализаторы и каковы механизмы их действия ?
Катализаторы – это вещества - ускорители химических реакций, которые не изменяются в результате реакции. При контакте с катализатором активизируются молекулы реагента. При этом происходит как бы «расслабление» химических связей в исходном веществе, «растаскивание» его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом.
30. Какие три «образа» современной биологии вам известны ?
Биология, будучи «равной среди равных» в системе естественных наук, отмечена особым знаком судьбы. Д сих пор нет единой точки зрения на ее «образ» как теоретической науки. Биология как бы существует одновременно в трех лицах,развивается в трех основных направлениях:
1) традиционная (натуралистическая) биология ;
2) физико - химическая биология ;
3) эволюционная биология.
Все эти направления научных поисков в биологии хотя и различаются по содержанию, но преследуют одну и туже цель _ познание феномена Природы и Жизни.
В настоящее время ведутся усиленные поиски объединяющего налога биологии и создания единой теории жизни.
31. Что является объектом изучения традиционной биологии?
Объектом изучения традиционной биологии всегда была и остается живая природа в ее естественном состоянии.
(Эразм Дарвин - дед Ж. Дарвина).
32. Какие физико – химические методы применяются в биологии ?
Наиболее широкое применение в биологии получили: метод меченых атомов, методы рентгено-структурного анализа и электронной микроскопии, хромографические методы, спектральные методы и методы зондирования в тканях (ЯМР –томография, УЗИ – томография, оптические зоны и т.д.). Широкое использование компьютеров позволило автоматизировать экспериментальные установки и привело к созданию большого количества различных тонографов– компьютерной аппаратуры, позволяющей спокойно анализировать любой орган или клеточный организм, не нанося ему вреда.
33. Какие уровни организации живой материи вам известны ?
Все объекты живой и неживой природы по строению представляют собой системы, для которых характерно иерархическое соподчинение входящих в них элементов, т.е. структурных уровней организации. Самые элементарные из них относятся к области познания физики, — это электроны, протоны, другие элементарные частицы. Затем идут атомные уровни, молекулярные уровни, изучением которых занимается как физика, так и химия. За молекулярным уровнем следует субмолекулярный, — уровень исследования работы макромолекул, как единого целого; и так далее, вплоть до уровня организмов и сообществ из них. Каждый нижележащий уровень располагается как бы в оболочке вышележащего уровня и сохраняет его особенности. Изучение каждого уровня организации живой материи должно иметь биологический смысл, т.е.должно быть направлено на изучение феномена жизни, а не просто структуры ее физико-химической организации.
34. В чем проявляются сильные и слабые стороны гипотезы Опарина ?
Одной из сильных сторон гипотезы Опарина является то, что она находится в соответствии с гипотезой эволюции добиологической (неживой) материи и зарождение жизни представлено в ней как закономерный процесс.
Вторая сильная сторона –возможность экспериментальной проверки основных положений гипотезы в лабораторных условиях. Но есть и слабые стороны гипотезы Опарина. Например, гипотеза Опарина допускала возможность самовоспроизведения доклеточных структур при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. В рамках гипотезы Опарина не удается объяснить главную проблему: причину того таинственного скачка от неживой материи к живой, который и знаменует собой начало жизни в том «земном» виде», в котором она нам известна.
35. Что нового (по сравнению с теорией Дарвина) содержится в синтетической теории эволюции ?
В 1930-1940 годах появилась на свет новая синтетическая теория эволюции. Она представляет собой синтез дарвинской концепции естественного отбора с генетикой и экологией. Существуют два основных отличий синтетической теории эволюции от теории Ч.Дарвина. Это, во-первых, признание в качестве элементарной единицы эволюции не организма и даже не вида, а местной популяции и, во-вторых, — выделение двух типов эволюции: микроэволюции и макроэволюции.
Макроэволюция (филогенез) –это эволюционные преобразования, протекающие в течение длительного исторического периода и приводящие к образованию надвидовых таксонов.
Микроэволюция доступна для непосредственного изучения в лабораторных условиях, макроэволюция –нет, вследствие ее исторической протяженности.
36. Какие типы изменчивы генов вам известны ?
На молекулярно-генетическом уровне существует несоклько механизмов изменчивости. Среди них –мутациитенов – механизм непосредственного преобразования самих генов,находящихся в конкретной хромосоме при сильном внешнем воздействии. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не изменяется.
К другому типу механизмов можно отнести рекомбинацию генов, т.е. создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. Это так называемая классическая рекомбинация генов, которая имеет место главным образом у высших организмов при половом процессе.
Существует еще один тип изменчивости генов – нереципрокная рекомбинация или неклассическая рекомбинация генов, при котором происходит увеличение общего объема генетической информации. Начало изучения этого механизма изменчивости было положено в 1952 году, когда П.Ледерберг и Н.Циндер открыли явление трансдукции генов, т.е. возможности переноса молекул ДНК не в «голом виде», как при трансформации, а в составе вирусов бактерий.
В последнее время этот вид рекомбинации был тщательно изучен. Было обнаружено несколько типов трансмиссивных генов, различающихся структурой генома и способом связывания с хромосомой клетки – хозяина.
37. Сколько типов метабомума обнаружено в живой клетке? Что это за типы ?
Существует три типа обмена веществ (метабомума) :
1) Катабомум или диссимимяция –процесс расщепления сложных органических соединений, сопровождающийся выделением химической энергии при разрыве химических связей. Эта энергия запасается в фосфатных связях АТФ.
2) Анаболизм или ассимитяция –разветвленная система процессов биосинтеза сложных молекул с расходованием энергии АТФ.
3) Амфоболизм – процесс образования в ходе катобомума мелких молекул, которые затем участвуют в строительстве более сложных молекул.
38. На каком биологическом уровне происходит изучение особенностей структурной и функциональной организации организмов ?
Термин онтогенез был введен Э.Геккемм еще в 1886 году. Ученый подразумевал под ним рассмотрение особенностей структурной и функциональной организации отдельных организмов, — как многоклеточных, так и одноклеточных. другими словами, онтогенетический уровень – это уровень изучения организма как единого целого, системы, в которой все связано, все отрегулировано и все прекрасно работает.
39. Что такое биоценоз ?
Еще в 1877 году немецкий ученый гидробиолог К.Мебиус предложил понятие «биоценоз» для обозначения такой совокупности организмов, существование которых зависимо от абиотических (небиологических) факторов среды. Другое название биоценоза – сообщества. Биоценозы являются вторым уровнем организации и объединяют в себе несколько популяций. В свою очередь, биоценозы являются компонентами третьего надорганизменного уровня – биогеоценозов,которые характеризуются как определенными биологическими, так и абиолическими факторами среды.
40. Кто является основоположником учения о биосфере ?
В науке появилось представление о существовании на нашей планете некоего пространства,где есть жизнь. Из всех терминов, предложенных для обозначения этого пространства укоренился один – биосфера, автором которого был австрийский ученый Э.Зюсс (1875г.). В течение всей жизни он уточнил и дополнил определение термина биосфера и в 1919 году описал биосферу как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли».
www.ronl.ru
МОСКОВСКИЙ ЭКСТЕРНЫЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АКАДЕМИЯ ПЕДАГОГИКИ
ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ПСИХОЛОГИИ И ПСИХОЛОГИЧЕСКОГО КОНСУЛЬТИРОВАНИЯ
«Концепции современного естествознания»
Авторизованный реферат по курсу
«Естествознание»
Фамилия, имя, отчество студента
Номер зачетной книжки
Руководитель (преподаватель) проф. Борисова О.А.
Рецензент ____________________________
З/О
МОСКВА — 2001 год
Содержание. 2
Естествознание. 3
Естественно — научная и гуманитарная культуры… 3
Научный метод познания. Опыт, гипотеза, закон, теория. 5
Разделы естествознания. 7
Квантовая физика как новый этап познания природы… 10
Возникновение квантовой теории. 10
Световые кванты… 11
Атомная физика. 14
Квантовые постулаты Бора. 15
Квантовая механика. 17
Лазеры… 17
Элементарные частицы… 19
Заключение. 22
Происхождение жизни на Земле. 23
Введение. 23
Условия появление жизни. 23
Появление живых существ. 24
Первые живые организмы… 25
Заключение. 27
Наша ближайшая звезда — Солнце. 29
Общие сведения о Солнце. 29
Строение Солнца. 32
Солнечный цикл. 44
Солнце – источник энергии. 45
Солнце и жизнь Земли. 51
Солнечное затмение. 54
Проблема «Солнце – Земля». 59
Заключение. 60
Литература: 62
Ученые и специалисты насчитывают более 170 определений понятия культура. Это свидетельствует о универсальности данного явления человеческого общества. Понятием культура обозначают и обычные явления, и сорта растений и умственные качества человека, и образ жизни, и систему положительных ценностей и так далее. В таком контексте все созданное человеком есть культура.
Мы используем одно из определений культуры, которое связано с ее инструментальной трактовкой. Культура — это система средств человеческой деятельности, благодаря которой реализуются действия индивида, групп, человечества в их взаимодействии с природой и между собой. Эти средства создаются людьми, постоянно меняются и совершенствуются. Принято выделять три типа культуры: материальную, социальную и духовную.
Материальная культура — совокупность средств бытия человека и общества. Она включает разнообразные факторы: орудия труда, технику, благосостояние человека и общества. Социальная культура — это система правил поведения людей в различных видах общения. Она включает этикет, профессиональную, правовую, религиозную и т. д. разновидности деятельности человека. Более подробно содержательная часть первой и второй культур изучается в других дисциплинах. Духовная культура — это составная часть культурных достижений человечества. Основные виды духовной культуры — мораль, право, мировоззрение, идеология, искусство, наука и т.д. Каждый из этих видов духовной культуры состоит из относительно самостоятельных частей. Эти части взаимосвязаны и относятся к духовной культуре человечества.
Под наукой в настоящее время понимают ту сферу человеческой деятельности, функция которой — выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Система наук условно делится на естественные, общественные и технические науки.
В науке принято выделять систему знаний о природе — естествознание, которое является предметом естественнонаучной культуры и систему знаний о позитивно значимых ценностях бытия индивида, групп, государства, человечества — гуманитарные науки или гуманитарную культуру. До того, как наука оформилась в самостоятельную часть культуры человечества, знания о природе и ценностях общественной жизни входили в иные состояния духовной культуры: практический опыт, мудрость, народная медицина, натурфилософия и т.д.
Взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной культур заключается в следующем:
· они имеют единую основу, выраженную в потребностях и интересах человека и человечества, в создании оптимальных условий для самосохранения и самосовершенствования;
· осуществляют взаимообмен достигнутыми результатами;
· взаимно координируют в процессе развития человечества;
· являются самостоятельными ветвями единой системы знаний науки и духовной культуры в целом.
Мы являемся свидетелями того, как социологи, юристы, экономисты, менеджеры и другие специалисты — гуманитарии начинают применять в своей работе системный подход, идеи и методы кибернетики и теории информации, знание фундаментальных законов естествознания и в частности физики.
Поясним вышесказанное примерами из практики. Юрист разбирает дело о столкновении судов. Конечно, ему нужно знать законы, приняты в мировой практике судовождения. Но, с другой стороны, если он не знает, что такое масса, радиус поворота, скорость, ускорение и т. д., он не сможет реально применить свои профессиональные знания.
Социолог изучает общественное мнение путем опроса. Но как он сможет оценить степень достоверности результатов, если не имеет представление о теории вероятности и теории погрешностей. Без знания этих разделов естественных наук, результаты его предсказаний не будут представлять практической ценности.
Менеджер рекламирует изделие какого-то предприятия. Хорошо известно, что на выставках или просмотрах первые вопросы всегда касаются технических сторон изделия. Конечно, полностью ответить на такие вопросы может только специалист, имеющий хорошую фундаментальную естественнонаучную подготовку. Однако разбираться в этих вопросах должен и менеджер.
Существует и другая сторона рассматриваемого вопроса. Наука часто обвиняется в тех грехах, в которых повинна не столько она сама, сколько та система институтов, в рамках которой она функционирует и развивается. В настоящее время очевидно, что развитие науки может приводить к отрицательным последствиям влияющем на все человечество в целом. Актуальным становится вопрос о социальной ответственности всех людей, а не только ученых за возможность использования из открытий и достижений. В настоящее время сформировалась направление, называемое этикой науки, дисциплине, изучающей нравственные основы научной деятельности.
В качестве примера можно привести пример из истории второй мировой войны. Р.Оппенгеймера называют отцом атомной бомбы. Он являлся координатором и руководителем проекта создания атомной бомбы. Она была создана и испытана сначала в Неваде, а потом и в Хиросиме и Нагасаке. Позднее Оппенгеймер, осознавая тяжесть ответственности, ушел из проекта и стал заниматься деятельностью, направленной на предотвращение использования атомных бомб.
Вышесказанное утверждает нас в мысли, что представляется весьма важным познакомится с основными концепциями естествознания. Это необходимо для того, чтобы: во первых, сознательно применять их в своей деятельности, во вторых, чтобы получить более ясное и точное представление о современной научной картине мира, которую дает естествознание.
Что такое научный метод познания? На чем он базируется? Что лежит в его основе и чем он отличается от других методов познания?
Способ получить частичные ответы на вопросы придуман несколько сотен лет назад. Наблюдение, размышление и опыт составляют так называемый научный метод познания, который и позволяет давать ответы на многие интересующие нас вопросы. Основой научного метода является опыт — пробный камень всех наших знаний. Опыт, эксперимент — это единственный судья научной истины.
Проводя наблюдения каких-либо природных явлений, невозможно охватить все процессы, с этими явлениями связанные. Поэтому нужно отбросить все второстепенные факты и выделить основные, т.е. суть явления. Этот процесс называется абстрагированием или построением модели явления. В размышлениях создается основа наблюдаемого явления, его модель. Что является существенным для данного явления, а что несущественным, вопрос неоднозначный и сложный. Не всегда он решается сразу, на первых этапах наблюдения и размышления. На этом этапе нельзя, как говорится в старой поговорке, «ыплеснуть младенца из купели вместе с водой»
В создаваемой модели должны быть учтены главные характеристики и основные параметры изучаемого явления. Построенная модель должна не только верно описывать наблюдаемое это явление, но и хорошо прогнозировать его развитие в новых условиях. Предсказания теории проверяются экспериментом или опытом — важнейшей частью научного метода познания.
С самого начала необходимо договорится, что подразумеваться под тем или иным термином. В понятие «опыт» будем вкладывать смысл наблюдения за явлением при контролируемых условиях, т.е. наблюдения с возможностью контролировать, воспроизводить и изменять желаемым образом внешние условия. Существенна возможность создавать как обычные, так и искусственные (т.е. в природе не встречающиеся) условия. Физика, химия, биология и ряд других наук называются естественными именно потому, что в их основе лежит опыт.
Для объяснения экспериментальных фактов привлекаются гипотезы. Гипотеза — это предположение, позволяющее объяснить и количественно описать наблюдаемое явление. Описать что-либо количественно можно лишь на языке математики.
Между явлениями природы существуют устойчивые, повторяющиеся связи — проявления законов природы. Качественная формулировка законов может быть иногда дана без привлечения математического аппарата. Законы, записанные на языке формул позволяют перейти к более высокой ступени познания. Эту ступень называют теорией. Т.е. при определенных условиях выдвинутая гипотеза может перейти в теорию, в основе которой лежат законы. Теория дает представление о закономерностях и существенных связях в определенной области.
Законы естественных наук устанавливают количественные соотношения между наблюдаемыми явлениями, т.е. имеют математическую формулировку. Не всегда эта формулировка бывает явной. Например, всем привычна следующая, казалось бы, качественная формулировка первого закона Ньютона: “Существуют такие системы отсчета, которых тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного равномерного движения, если на него не действуют другие тела, или действие других тел взаимно компенсируется”. Но строго сформулировать, что такое прямолинейное равномерное движение, можно лишь на языке математических формул. Т.е. даже качественная формулировка закона подразумевает введение количественных понятий.
Естествознание, изучающее количественные (т.е. точные) соотношения природных явлений, относится к точным наукам. Понятие «точное» требует комментариев. Точные науки, как правило оперируют не с абсолютно точными, а с приближенными величинами. При количественном описании любого наблюдаемого явления всегда оговаривают, с какой степенью точности имеют дело, т.е. приводят погрешности измеряемых величин.
Когда гипотеза перерастает в теорию, т. е. в форму научных знаний, дающих целостное представление о закономерностях и существенных связях определенной области действительности? Какой путь она должна пройти? Ответ на этот вопрос частично дан. Гипотезы должны быть проверены фактами, опытами, здравым смыслом. В своей области они должны объяснять всю совокупность имеющихся явлений. Но этого мало. Для того, чтобы стать теорией, гипотеза должна сформулировать количественные отношения между наблюдаемыми явлениями. Фактически это означает формулировку законов. Непременным условием превращения гипотезы в теорию является предсказание новых, до сих пор не наблюдавшихся и из известных теорий не следующих, явлений, и подтверждение этих предсказаний в специально поставленных экспериментах.
Переход гипотезы в теорию зачастую не обходится без драм. Классическими являются примеры Николая Коперника (1473-1543) и Джордано Бруно (1548-1600). Н.Коперник выдвинул гипотезу о гелиоцентрической системе мира, в которой планеты вращаются вокруг Солнца по орбитам. Эта гипотеза позволяла достаточно точно и просто описывать и предсказывать наблюдаемые движения планет. Однако сам Коперник не утверждал, что наша система и есть гелиоцентрическая. Для него модель гелиоцентрической системы мира нужна была только для более удобного описания движения планет. Гелиоцентрическая система противоречила Библии, в которой говорилось, что Иисус Навин остановил вращение Солнца вокруг Земли. Развивая гелиоцентрическую космологию, Бруно выдвинул идею множественности миров во Вселенной, центрами которых являются звезды. Д. Бруно утвердил мысль о том, что гелиоцентрическая система не является гипотезой Коперника, а космологической теорией, опирающейся на факт движения планет вокруг Солнца. И именно поэтому был обвинен в ереси и сожжен в 1600 году на Площади Роз в Риме.
Естественнонаучная теория дает объяснение целой области явлений в природе с единой точки зрения. Квинтэссенцией теории являются законы, устанавливающие количественные связи, соотношения между различными наблюдаемыми в опыте величинами.
Нужно различать законы природы и законы науки. Первые проявляются в особенностях протекания природных явлений и процессов и во взаимосвязи некоторых величин. Они неизменны и всегда выполняются. Научные законы — это попытка описать законы природы на языке математических формул и точных формулировок. В дальнейшем речь будет идти только о них. Научные законы не точны и не постоянны. На определенных этапах развития науки возникает необходимость уточнения наблюдаемых в опыте явлений и пересмотра законов или границ их применимости. Постоянная проверка опытных фактов на базе новых экспериментальных методик, позволяющих увеличить точность проведения эксперимента, необходима всегда на любом уровне знаний. Расхождение экспериментальных данных и существующих законов позволяет выдвигать новые гипотезы и строить новые теории.
Слово естествознание представляет из себя сочетание двух слов: естество (природа) и знание. В настоящее время под естествознанием подразумевается в основном точное знание о том, что в природе, во Вселенной действительно есть или по крайней мере возможно. Первоначально к физике Аристотель относил проблемы устройства, происхождения, организации всего, что есть во Вселенной, даже жизни. Само слово физика, греческое по происхождению, близко к русскому слову природа. Таким образом, первоначально естествознание называлось физикой.
В своем развитии наука прошла четыре стадии развития. На первой стадии формулировались общие представления о природе, окружающем мире как о чем-то целом. В этой стадии произошло развитие натурфилософии (философии природы) ставшей вместилищем идей и догадок, которые к 13-15 векам стали зачатками естественных наук. В 15-17 веках последовала аналитическая стадия — мысленное расчленение и выделение частностей, превратившая физику, астрономию, химию, биологию действительно в науки. Позднее, ближе к нашему времени, наступила синтетическая стадия изучения природы, характеризуемая воссозданием целостной картины мира на основе ранее познанных частностей. Сегодня пришло время обосновать не только принципиальную целостность всего естествознания, но пояснить, почему именно физика, химия и биология стали основными и самостоятельными разделами науки о природе. Т.е. в настоящее время осуществляется целостная интегрально — дифференциальная стадия развития естествознания, как единой науки о природе.
Все описанные стадии изучения природы по существу представляют звенья одной цепи. Каждый из разделов естествознания прощел через эти стадии. Рассмотрев в следующей части коротко историю развития физики мы видим, что она тоже прошла все описанные стадии. Отличие имеется лишь в том, что описание этапов развития физики мы будем давать с точки зрения развития методов подхода к изучаемым явлениям. В физике сейчас также наступает интеграционная стадия, характеризуемая тем, что проводятся попытки создать единые теории, объединяющие различные разделы. Примером тому может служить попытка создать единую теорию поля.
Рассмотрим главные разделы естествознания и связь между ними. Мы уже говорили о движении материи. В порядке возрастания сложности мы приводили следующие формы движения: механическую, физическую, химическую, биологическую, общественную. Все формы движения связаны между собой. Высшие содержат в себе низшие, составными части, но ни в коем случае не сводятся только к ним. Например, нельзя ядерные силы свести к механическим. Различные виды движений, существующих в природе изучают различные разделы естествознания: ФИЗИКА, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ, ПСИХОЛОГИЯ и другие разделы.
В каждом из разделов естествознания имеются свои законы, которые не могут быть сведены к законам других разделов, однако, теории, описывающие сложные структуры, опираются на теории и законы для простых структур. При этом, как правило, по мере усложнения структур и разделов естествознания их законы становятся менее точными, формулировки приближаются к качественным. Чем ниже уровень раздела естествознания, тем сложнее и точнее математические формулировки его законов. Наиболее сложны для понимания законы физики — фундаменте всех естественных наук.
Химия испытывает на себе влияние физики, пожалуй сильнее, чем любая другая наука. На заре своего развития она играла важную роль в становлении физики. Эти науки взаимодействовали очень сильно, они были практически неразделимы. Теория атомного строения вещества получила основательное подтверждение именно в химических опытах. Под теорией неорганической химии подвел черту Д.И.Менделеев (1834-1907), создав свою периодическую систему химических элементов. Эта система выявила немало удивительных связей между различными элементами. Она предсказала существование многих тогда еще неизвестных химических элементов. Однако, объяснение системы Менделеева возможно только с опорой на теорию строения атома, т.е. на физическую теорию. В настоящее время в неорганической химии остались два раздела: физическая химия и квантовая химия. Сами названия этих разделов говорят о тесной связи с физикой.
Другая ветвь химии — органическая химия, химия веществ, связанных с жизненными процессами. Одно время предполагали, что органические вещества столь сложны, что их нельзя синтезировать. Однако, развитие физики и неорганической химии изменило ситуацию. В настоящее время научились синтезировать сложные органические соединения, необходимые в жизненных процессах. Главной задачей органической химии является анализ и синтез веществ, образующихся в биологических системах, живых организмах. Отсюда вытекает тесная связь химии и физики с другим разделом естествознания, с биологией.
Изучение живых организмов позволяет увидеть множество чисто физических явлений: циркуляцию и гидродинамику протекания крови, давление в сосудах и т.д. Биология — очень широкое поле деятельности для приложения физических и химических теорий. Например, как осуществляется зрение, что происходит в глазе. Как квант света взаимодействует с сетчаткой. Однако, эти вопросы не основные в биологии, не они лежат в сущности всего живого. Фундаментальные процессы, изучаемые в биологии лежат глубже, в понимании функционирования клеток, их биохимических циклов. В конечном итоге, в понимании того, что есть жизнь. Понятие жизни не удается свести только к химическим или физическим процессам.
Психология изучает отражение действительности в процессах деятельности человека и животных. Эта наука лежит на грани естественных и общественных наук. Казалось бы, какая связь может быть у нее с физикой. Давайте рассмотрим пару примеров. Одной из ветвью психологии является физиология ощущений. Она рассматривает взаимосвязь между поведением человека и его ощущениями. Почему красный цвет вызывает тревожные ощущения, а зеленый наоборот. Недаром запрещающий цвет светофора — красный, а разрешающий — зеленый. Ответ может дать физика. Днем максимум излучения солнца приходится на зеленый цвет. День — самое безопасное время суток, и в процессе эволюции у живых организмов выработалась положительная реакция на зеленый цвет. В сумерках максимум излучения солнца сдвинут в красную область. Сумерки — самое опасное время суток, когда хищные животные выходят на охоту. Естественно, что в процессе эволюции выработалось отрицательная реакция на этот цвет.
В настоящем реферате мы рассмотрим:
· квантовую физику – из раздела «Физика»;
· происхождение жизни на земле – из раздела «Биология»
· более подробно остановимся на поведении нашей ближайшей звезды – Солнце.
Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения (электромагнитного излучения нагретого тела) оказались несостоятельными. Многократно проверенные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно “забастовали”, когда их попытались применить к проблеме излучения веществом коротких электромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законы превосходно описывают излучение радиоволн антенной и что в свое время само существование электромагнитных волн было предсказано на основе этих законов.
Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Согласно классической теории тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт показывает, что ничего подобного в действительности нет. Нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн.
В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом немецкий физик Макс П л а н к предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте v излучения:
E=hv.
Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка.
Предположение Планка фактически означало, что законы классической физики неприменимы к явлениям микромира.
Построенная Планком теория теплового излучения превосходно согласовалась с экспериментом. По известному из опыта распределению энергии по частотам было определено значение постоянной Планка. Оно оказалось очень малым: =6,63.10-34 Дж.с.
После открытия Планка начала развиваться новая, самая современная и глубокая физическая теория — квантовая теория. Развитие ее не завершено и по сей день.
Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась
теория теплового излучения. Но этот успех был получен ценой отказа от законов классической физики применительно к микроскопическим системам и излучению.
Квантовым законам подчиняется поведение всех микрочастиц. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света.
В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно исследованного выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Явление это получило название фотоэффекта.
Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света.
Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется.
Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе несложный факт нельзя объяснить на основе волновой теории света. Непонятно, почему световые волны малой частоты не могут вырывать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила, действующая на электроны.
При изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение, как показали опыты, не меняется. Это означает, что не меняется кинетическая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороны электромагнитного поля световой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна передаваться электронам.
На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты Vmin, то фотоэффект не происходит.
Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетической энергии электронов от частоты выглядит загадочно.
Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет—это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны.
Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.
Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:
E=hv, где h — постоянная Планка.
Из того что свет, как показал Планк, излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура самого света. Ведь и минеральную воду продают в бутылках, но отсюда совсем не следует, что вода имеет прерывистую структуру и состоит из неделимых частей. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E=hv сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.
Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии.Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов согласно определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состояния его поверхности. От интенсивности света она не зависит.
Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота v света больше минимального значения Ведь чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы. Предельную частоту, называют красной границей фотоэффекта.
Для цинка красной границе соответствует длина волны м (ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи.
Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. Поэтому в опыте использовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работа выхода, напротив, меньше, а длина волны, соответствующая красной границе, больше.
Пользуясь уравнением Эйнштейна можно найти постоянную Планка h. Для этого нужно экспериментально определить частоту света v, работу выхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Точно такое же значение было найдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления — теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, подтверждает правильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом.
Уравнение Эйнштейна, несмотря на свою простоту, объясняет основные закономерности фотоэффекта. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта.
В современной физике фотон рассматривается как одна их элементарных частиц. Таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается с фотона.
Энергия и импульс фотона. При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией E=hv, зависящей от частоты. Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть частицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускулярными. Сама же световая частица была названа фотоном или квантом электромагнитного излучения.
Фотон подобно частицам обладает определенной порцией энергии hv. Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическую частоту.
Фотон лишен массы покоя то, т. е. он не существует в состоянии покоя, и при рождении сразу имеет скорость с. Масса, определяемая формулой,—это масса движущегося фотона. Направлен импульс фотона по световому лучу.
Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света. Из-за того что постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайне незначительна. Фотоны, соответствующие зеленому свету, имеют энергию 4-10~19 Дж.
Тем не менее в замечательных опытах С. И. Вавилова было установлено, что человеческий глаз, этот тончайший из “приборов”, способен реагировать на различие освещен-ностей, измеряемое единичными квантами.
Ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теории Ньютона. Однако нельзя забывать, что интерференция и дифракция света вполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств. Свет обладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные. Все это, конечно, странно и непривычно. Мы не в состоянии представить себе наглядно, как же это может быть. Но тем не менее это факт. Мы лишены возможности представлять себе наглядно в полной мере процессы в микромире, так как они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые люди наблюдали на протяжении миллионов лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX века.
С течением времени двойственность свойств была открыта у электронов и других элементарных частиц. Электрон, в частности, наряду с корпускулярными свойствами обладает также и волновыми. Наблюдается дифракция и интерференция электронов.
Эти необычные свойства микрообъектов описываются с помощью квантовой механики — современной теории движения микрочастиц. Механика Ньютона оказывается здесь в большинстве случаев неприменимой. Но изучение квантовой механики выходит за рамки школьного курса физики.
Фотон—элементарная частица, лишенная массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами. Поглощение и излучение электромагнитной энергии отдельными порциями — проявление корпускулярных свойств электромагнитного поля.
Корпускулярно-волновой дуализм — общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне.
Английский физик Эрнест Резерфорд исследовал рассеяние а-частиц десять тысяч раз меньшее по разме-веществом и открыл в 1911 г. атомное ядро — массивное образование.
Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом — атом водорода — представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10~8 см, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.
Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме. Эти опыты, произведенные впервые Э. Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании строения атома.
Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра.
В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома — это радиус орбиты его электрона.
Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно -необходимой для объяснения опытов по рассеиванию ос-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10~8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.
В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.
Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение—это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.
Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атомов.
Выход из крайне затруднительного положения в теории атома был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором на пути дальнейшего развития квантовых представлений о процессах в природе.
Эйнштейн оценивал проделанную Бором работу “как высшую музыкальность в области мысли”, всегда его поражавшую. Основываясь на разрозненных опытных фактах. Бор с помощью гениальной интуиции правильно предугадал существо дела.
Последовательной теории атома Бор, однако, не дал. Он в виде постулатов сформулировал основные положения новой теории. Причем и законы классической физики не отвергались им безоговорочно. Новые постулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые классической физикой движения.
Успех теории Бора был тем не менее поразительным, и всем ученым стало ясно, что Бор нашел правильный путь развития теории. Этот путь привел впоследствии к созданию стройной теории движения микрочастиц—квантовой механики.
Первый постулат Бора гласит:
атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.
Этот постулат противоречит классической механике, согласно которой энергия движущихся электронов может быть любой. Противоречит он и электродинамике Максвелла, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн.
Согласно второму постулату Бора излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:
При поглощении света атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.
Второй постулат также противоречит электродинамике Максвелла, так как согласно этому постулату частота излучения света свидетельствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома.
Свои постулаты Бор применил для построения теории простейшей атомной системы—атома водорода. Основная задача состояла в нахождении частот электромагнитных волн, излучаемых водородом. Эти частоты можно найти на основе второго постулата, если располагать правилом определения стационарных значений энергии атома. Это правило (так называемое правило квантования) Бору опять-таки пришлось постулировать.
Используя законы механики Ньютона и правило квантования, отмирающее возможные стационарное состояния, Бор смог вычислить Допустимые радиусы орбит электрона и энергии стационарных состояний. Минимальный радиус орбиты определяет размеры атома.
Второй постулат Бора позволяет вычислить по известным значениям энергий стационарных состояний частоты излучений атома водорода. Теория Бора приводит к количественному согласию с экспериментом для значений этих частот. Все частоты излучений атома водорода составляют ряд серий, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из энергетических состояний со всех верхних энергетических состояний (состояний с большей энергией).
Поглощение света — процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний в низшие. На рисунке 168, б стрелками изображены переходы атома из одних состояний в другие с поглощением света.
На основе двух постулатов и правила квантования Бор определил радиус атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило вычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом электромагнитных волн.
Наибольший успех теория Бора имела применительно к атому водорода,.для которого оказалось возможным построить количественную теорию спектра.
Однако построить количественную теорию для следующего за водородом атома гелия на основе боровских представлений не удалось. Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения.
Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. С одной стороны, при построении теории атома водорода использовались обычные законы механики Ньютона и давно известный закон Кулона, а с другой — вводились квантовые постулаты, никак не связанные с механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Введение в физику квантовых представлений требовало радикальной перестройки как механики, так и электродинамики. Эта перестройка была осуществлена в начале второй четверти нашего века, когда были созданы новые физические теории: квантовая механика и квантовая электродинамика.
Постулаты Бора оказались совершенно правильными. Но они выступали уже не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий. Правило же квантования Бора, как выяснилось, применимо далеко не всегда.
Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электрона в атоме имеет очень мало общего с движением планет по орбитам. Если бы атом водорода в наинизшем энергетическом состоянии можно было бы сфотографировать с большой выдержкой, то мы увидели бы облако с переменной плотностью. Большую часть времени электрон проводит на определенном расстоянии от ядра.
В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на любой вопрос, относящийся к строению и свойствам электронных оболочек атомов. Но количественная теория оказывается весьма сложной, и мы ее касаться не будем. С качественным описанием электронных оболочек атомов вы знакомились в курсе химии.
В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.
На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.
Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны ==1,27 см. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была в 1959 г. присуждена Ленинская премия. В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.
В 1960 г. в CШA был создан первый лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.
Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:
1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10~5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.
2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.
3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10~13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность излучения Солнца равна только 7-103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру. На узкий же интервал =10~6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. переходит в высшее энергетическое состояние.
Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света.
Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.
В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ. Атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.
Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Они созданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока.
Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт. В этих лазерах “перенаселенность” верхних энергетических уровней создается при расширении и адиабатном охлаждении сверхзвуковых газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвин.
Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает “неделимый”), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные построены из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире,— это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными.
Но в конце XIX века было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были открыты протон и нейтрон — частицы, входящие в состав атомного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.
Ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элементарная заключается двоякий смысл.
С одной стороны, элементарный — это само собой разумеющийся, простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фундаментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными).
Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменным атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не могут прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин.
Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).
Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья — позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых.
Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10~8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой. Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.
Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования. Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам.
Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки,— сильный удар.
По современным представлениям элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.
В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.
Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом.
Была открыта группа так называемых “странных” частиц: К-ме-зонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных “очарованными”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10~22—10~23 с. Эти частицы были названы резо-нансами, и их число перевалило за двести.
Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манноном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях—адроны, построены из более фундаментальных (или первичных) частиц — кварков.
Кварки имеют дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены никогда. Существование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах. Число различных кварков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными.
Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три сорта нейтрино и еще две частицы — мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массы электрона).
Существование двойника электрона — позитрона — было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г. Одновременно Дирак предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный процесс — рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс покоя рождающихся частиц) с ядром.
Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека частицы указывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе. Оно оказалось по модулю таким же, как и у электрона. На рисунке 190 вы видите первую фотографию, доказавшую существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и, пройдя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась.
Процесс рождения пары электрон — позитрон у-квантом в свинцовой пластинке виден на фотографии, приведенной на рисунке 191. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный след в виде двурогой вилки.
Энергия покоя — самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество — самый совершенный источник энергии, самое калорийное “горючее”. В состоянии ли будет человечество когда-либо это “горючее” использовать, трудно сейчас сказать.
Обнаружены сравнительно недавно антипротон и -антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен. Сейчас хорошо известно, что рождение пар частица — античастица и их аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов.
Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка — из позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые получен антигелий.
Открытие сложного строения атома — важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц—законы квантовой механики. Элементарные частицы—это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Элементарные частицы не остаются неизменными. Все элементарные частицы способны превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования. ольшинство элементарных частиц нестабильны и самопроизвольно превращаются с течением времени в другие частицы; сключение составляют фотон, электрон, протон и нейтрино. Все частицы имеют двойников — античастицы. Например, по отношению к электрону античастицей является позитрон. Частица и античастица имеют одинаковые массы, а их заряды противоположны по знаку. При столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в другие частицы. Аннигиляция позитрона и электрона сопровождается рождением двух (или трех) гамма-квантов.
Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду происхождения нашей вселенной и происхождения Земли.
Существовало масса теорий и гипотез о возникновении жизни на Земле. Среди них миф о «творческом акте сотворения мира Богом», описанный в Библии, гипотезы Аристотеля, Эпикура и Демокрита.
Исследования Луи Пастера в 19-м веке окончательно подтвердили ошибочность представлений происхождения жизни как о спонтанном самозарождении. Правда, они не дали окончательных выводов о происхождении жизни.
И только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества ученый А. И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни. Его доклад «О возникновении жизни» стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо подчеркнуть, что независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн.
Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения жизни в результате химической эволюции. Оба они подчеркивали огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон».
Зарождение жизни не произошло само по себе, а совершилось благодаря определенным внешним условиям, сложившимся к тому времени. Главное условие возникновения жизни связано с массой и размерами нашей планеты. Доказано, что если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции.
Следующим важным условием возникновения жизни являлось наличие воды. Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др.
Третьим элементом явился углерод, который присутствовал на Земле в виде графита и карбидов. Из карбидов при их взаимодействии с водой образовывались углеводороды.
Четвертым необходимым условием являлась внешняя энергия. Такая энергия на земной поверхности имелась в нескольких формах: лучистая энергия Солнца, в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и энергия атомного распада природных радиоактивных веществ.
Когда на Земле возникли вещества подобные белкам, начался новый этап в развитии материи — переход от органических соединений к живым существам. Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде растворов. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но когда подобные органические соединения смешивались между собой, из растворов выделялись особые полужидкие, студенистые образования — коацерваты. В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые вещества.
Хотя коацерватные капельки были жидкие, они обладали определенным внутренним строением. Частицы вещества в них были расположены не беспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. При образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще очень примитивной и неустойчивой. Для самой капельки эта организация имела большое значение. Любая коацерватная капелька была способна улавливать из раствора, в котором плавает, те или иные вещества. Они химически присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекал процесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием существовал и распад. Тот или иной из этих процессов, в зависимости от состава и внутреннего строения капельки, начинал преобладать.
В результате, в каком-нибудь месте первичного океана смешались растворы белково-подобных веществ и образовались коацерватные капельки. Они плавали не в чистой воде, а в растворе разнообразных веществ. Капельки улавливали эти вещества и росли за их счет. Скорость роста отдельных капелек была неодинакова. Она зависела от внутреннего строения каждой из них.
Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась. Вещества, ее составляющие, переходили в раствор и поглощались другими капельками. Более или менее длительно существовали лишь те капельки, в которых процессы созидания преобладали над процессами распада.
Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собой выпадали из процесса дальнейшей эволюции материи.
Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно как одна сплошная масса — она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька в то же время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла и изменялась самостоятельно. В новом поколении все неудачно организованные капельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи. Так в процессе возникновения жизни происходил естественный отбор коацерватных капелек. Рост коацерватов постепенно ускорялся. Причем научные данные подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.
В конечном итоге усовершенствование коацерватов привело к новой форме существования материи — к возникновению на Земле простейших живых существ. Вообще, исключительное разнообразие жизни осуществляется на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.
Основные химические элементы, из которых построена жизнь, — это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшие размеры и образовывают устойчивые соединения с двух и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. А образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода.
Сера и фосфор присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор — составная часть нуклеиновых кислот.
Строение первых живых организмов хотя и было гораздо совершеннее, чем у коацерватных капелек, но все же оно было несравненно проще нынешних живых существ. Естественный отбор, начавшийся в коацерватных капельках, продолжался и с появлением жизни. В течение долгого времени строение живых существ все более улучшалось, приспособлялось к условиям существования.
Вначале пищей для живых существ были только органические вещества, возникшие из первичных углеводородов. Но с течением времени количество таких веществ уменьшилось. В этих условиях первичные живые организмы выработали в себе способность строить органические вещества из элементов неорганической природы — из углекислоты и воды. В процессе последовательного развития у них появилась способность поглощать энергию солнечного луча, разлагать за счет этой энергии углекислоту и строить в своем теле из ее углерода и воды органические вещества. Так возникли простейшие растения — сине-зеленые водоросли. Остатки сине-зеленых водорослей обнаруживаются в древнейших отложениях земной коры.
Другие живые существа сохранили прежний способ питания, но пищей им стали служить первичные растения. Так возникли в своем первоначальном виде животные.
На заре жизни и растения, и животные были мельчайшими одноклеточными существами, подобными живущим в наше время бактериям, сине-зеленым водорослям, амебам. Большим событием в истории последовательного развития живой природы стало возникновение многоклеточных организмов, т. е. живых существ, состоящих из многих клеток, объединенных в один организм. Постепенно, но значительно быстрее, чем раньше, живые организмы становились все сложнее и разнообразнее.
С образованием сложных ультра молекулярных систем (пробионтов) включающих нуклеиновые кислоты, белки ферменты и механизм генетического кода, появляется жизнь на Земле. Пробионты нуждались в различных химических соединениях — нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени генетической информации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями. Дело в том, что они использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, и если бы жизнь на своем раннем этапе существовала только в форме одного вида организмов, то первичный бульон был бы достаточно быстро исчерпан.
Однако благодаря тенденции к приобретению большого разнообразия свойств, и в первую очередь, к возникновению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с использованием солнечного света, этого не произошло.
В начале следующего этапа образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуру и активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов — ферменты или энзимы. Отбор коацерватов усиливал накопление белково-подобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных химических предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия. При самоорганизации отсеивалось множество различных неудачных вариантов, до тех пор, пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соотношения с точки зрения естественного отбора.
Благодаря предбиологическому отбору самих систем, а не только отдельных молекул, системы приобрели способность совершенствовать свою организацию. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал возрастание их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции обособленных органических систем сформировался генетический код. После образования генетического кода эволюция развивается вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации.
Однажды возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами показывая ускорение эволюции во времени. Так, развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет.
Истинная основа жизни образовалась в результате появления клетки, в которой биологические мембраны объединили отдельные органеллы в единое целое.
Первые клетки были примитивны и не имели ядра. Но такие клетки существуют и в настоящее время. Удивительно, ведь они появились более 3 млрд. лет назад.
Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствовались и появились специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных — метафитов и метазоа.
В качестве объединяющей зависимости между химической эволюцией переходящей затем в биохимическую и биологическую эволюцию можно привести следующую:
1. атомы
2. простые молекулы
3. сложные макромолекулы и ультра молекулярные системы (пробионты)
4. одноклеточные организмы.
Итак, живой мир сотворен. На это потребовалось более 3 миллиардов лет, и это было самым трудным. Не поддается перечислению огромное количество вариантов развития исходных углеродных соединений. Однако самым важным был результат – возникновение жизни на Земле.
Несмотря на важность знаний, относительно условий, причин и процессов появления жизни на Земле в наше время НТП многие не уделяют этому должного внимания. Хотя для всех должно быть очень ясно, что жизнь, окружающая нас, формировалась в течение такого гигантского периода времени, который просто неподвластен нашему сознанию. И только поэтому, тот ущерб, который уже был нанесен всему живому за прошедший век, пока еще не привел к необратимым последствиям. Однако, благодаря НТП человек сам, не осознавая того, создает все более опасные для всего живого изобретения. И, к сожалению, никто не знает, какое из них будет последним….
А ведь мы часть живого мира, на создание которого потребовались миллиарды лет. Думаю, есть о чем задуматься.
Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце — не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).
Издавна у разных народов Солнце было объектом поклонения. Его считали самым могущественным божеством. Культ непобедимого Солнца был одним из самых распространённых (Гелиос – греческий бог Солнца, Аполлон – бог Солнца у римлян, Митра – у персов, Ярило – у славян и т. д.). В честь Солнца воздвигали храмы, слагали гимны, приносили жертвы. Ушло в прошлое религиозное поклонение дневному светилу. Сейчас учёные исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю, работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии.
Солнце – это наша звезда. Изучая Солнце, мы узнаём о многих явлениях и процессах, происходящих на других звёздах и недоступных непосредственному наблюдению из-за огромных расстояний, которые отделяют нас от звёзд.
Возраст Солнца примерно равен 4.5 миллиарда лет. С момента своего рождения оно израсходовало половину водорода содержащегося в ядре. Оно будет продолжать «мирно» излучать следующие 5 миллиардов лет или около того (хотя его светимость возрастет примерно вдвое за это время). Но, в конце концов, оно исчерпает водородное топливо, что приведет к радикальным переменам, что является обычным для звезд, но увы приведет к полному уничтожению Земли (и созданию планетарной туманности).
Эволюция Солнца:
A. На Солнце начинают идти ядерные реакции в ядре. Это называется рождением звезды, до начала ядерных реакций объект называют протозвездой, и в ядре еще слишком низкая температура для того, что бы началось ядерное горение.
B. К этому времени, примерно половина водорода в ядре будет преобразована в гелий. Это та ситуация в которой Солнце находится сейчас (с момента рождения Солнца прошло примерно 4.5 миллиарда лет).
C. Водород в ядре практически полностью переработан, и начинается горение водорода в слоевом источнике вокруг ядра. Это заставляет Солнце раздуваться. Его радиус становится примерно на 40% больше, а светимость удваивается.
D. Через полтора миллиарда лет, поверхность Солнца станет в 3.3 раза больше чем сейчас, а температура опустится до 4300 градусов Кельвина. Если глядеть с Земли, то Солнце будет выглядеть как большой оранжевый шар. Однако главная проблема в том, что температура Земли при этом поднимется на 100 градусов и все моря испарятся, так что не останется наблюдателей этой грандиозной картины. В последующие 250 миллионов лет радиус Солнца вырастет в 100 раз, и его светимость возрастет более чем в 500 раз. Оно займет практически пол неба на планете, которая когда-то была Землей.
E. Температура ядра возрастет так высоко, что начнет протекать реакция превращения гелия в углерод. Возможно, этот процесс будет носить взрывной характер и одна треть солнечной оболочки будет рассеяна в космосе.
Что случится после этого в настоящее время неизвестно. Солнце станет ярче, и все внешние слои будут унесены в космос очень сильным солнечным ветром. Это явление называют образованием планетарной туманности; примеры таких объектов часто наблюдаются в космосе (внутри планетарной туманности всегда есть звезда, ее породившая).
После этого останется практически только ядро бывшего Солнца, так называемый белый карлик, имеющий массу в два раза меньшую, чем масса современного Солнца, но с ненормально высокой плотностью вещества: 2 тонны на кубический сантиметр. Этот белый карлик будет медленно остывать, превращаться в черный карлик и это будет конец Солнца.
Наблюдения Солнца требуют большой осторожности. Нельзя смотреть на Солнце, не защитив глаза очень плотным (тёмным) светофильтром! Но даже со светофильтром не рекомендуется смотреть на Солнце в школьный телескоп. Лучше установить на окулярном конце телескопа экран с листом белой бумаги и рассматривать изображение Солнца на экране. Это позволит увидеть на Солнце тёмные пятна (Солнечные пятна) и светлые участки (факелы), которые заметнее вокруг пятен вблизи края Солнечного диска. На современных обсерваториях для наблюдения Солнца применяют телескопы специальных конструкций – солнечные телескопы. Таким телескопам оснащена, например, Крымская Астрофизическая Обсерватория.
Если сравнить несколько последовательных фотографий Солнца, то можно заметить, как меняется положение всех пятен на диске. Это происходит из-за вращения Солнца. Солнце вращается не как твёрдое тело. Пятна, находящиеся в близи экватора Солнца, опережают пятна, расположенные в средних широтах. Следовательно, скорости вращения разных слоёв Солнца различны. Экваториальные области делают один оборот вокруг оси Солнца за 25 земных суток, а области вблизи полюсов Солнца – примерно за 30 суток. Линейная скорость вращения на экваторе Солнца составляет 2 км./с. Наблюдения показывают, что все пятна перемещаются от Восточного края к Западному. Следовательно, Солнце вращается вокруг своей оси в направлении движения планет вокруг него.
Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.
· Расстояние от Солнца до центра галактики – 104пк~3/3*104 световых лет
· Скорость движения Солнца вокруг центра Галактики – 250 км/с
· Период обращения Солнца вокруг центра Галактики — 2*108 лет
· Земной наблюдатель видит солнечный диск под углом 0,5°.
· Масса MS~2*1023 кг,
· RS~629 тыс км,
· V= 1,41.1027 м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,
· средняя плотность 1,41*103 кг/м,
· светимость LS=3,86*1023 кВт,
· эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,
· период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут у полюсов,
· ускорение свободного падения 274 м/с2. (при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).
Химический состав был определен из анализа солнечного спектра. Оказалось, что на Солнце больше всего водорода, а затем гелия. Открыто там много и других химических элементов (кислород, кальций, железо, магний, натрий и др.), но все вместо они составляют очень малую долю по сравнению с водородом. На Солнце не обнаружено никаких химических элементов, помимо тех, которые имеются на Земле. Это указывает на то, что небесные тела состоят из тех же веществ, что и Земля. Но на разных небесных телах вещество может находиться в самых различных состояньях.
Корона во внутренней части представляет собой чрезвычайно разреженное облако легких частичек, главным образом частичек электричества – электронов, выделяющихся из нижележащих слоев. Все они быстро движутся в разных направлениях, но преимущественно в сторону от Солнца. Скорость их так же велика, как у газа при температуре до миллиона градусов. Во внешней части короны к ним примешаны и частички пыли, которая носится в межпланетном пространстве.
В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та «печка», которая нагревает его и не дает ему остыть. Эта область называется ядром. Под тяжестью внешних слоев вещество внутри Солнца сжато, причем, чем глубже, тем сильнее. Плотность его увеличивается к центру вместе с ростом давления и температуры. В ядре, где температура достигает 15 млн. кельвинов, происходит выделение энергии.
Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объеме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.
Существуют различные способы передачи энергии в зависимости от физических условий среды, а именно: лучистый перенос, конвекция и теплопроводность. Теплопроводность не играет большой роли в энергетических процессах на Солнце и звездах, тогда как лучистый и конвективный переносы очень важны.
Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов.
Плотность, температура и давление уменьшаются по мере удаления от ядра, и в этом же направлении идет поток энергии. В целом процесс этот крайне медленный. Чтобы квантам добраться от центра Солнца до фотосферы, необходимы многие тысячи лет: ведь, переизлучаясь, кванты все время меняют направление, почти столь же часто двигаясь назад, как и вперед. Но когда они, в конце концов, выберутся наружу, это будут уже совсем другие кванты. Что же с ними произошло?
В центре Солнца рождаются гамма-кванты. Их энергия в миллионы раз больше, чем энергия квантов видимого света, а длина волны очень мала. По дороге кванты претерпевают удивительные превращения. Отдельный квант сначала поглощается каким-нибудь атомом, но тут же снова переизлучается; чаще всего при этом возникает не один прежний квант, а два или даже несколько. По закону сохранения энергии их общая энергия сохраняется, а потому энергия каждого из них уменьшается. Так возникают кванты все меньших и меньших энергий. Мощные гамма-кванты как бы дробятся на менее энергичные кванты – сначала рентгеновских, потом ультрафиолетовых и, наконец, видимых и инфракрасных лучей. В итоге наибольшее количество энергии Солнце излучает в видимом свете, и не случайно наши глаза чувствительны именно к нему.
Как мы уже говорили, кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы «печка» внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.
На своем пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передается уже не излучением, а конвекцией.
Суть конвекции состоит в том, что огромные потоки горячего газа поднимаются вверх, где отдают свое тепло окружающей среде, а охлажденный солнечный газ опускается вниз. Похоже, что солнечное вещество кипит и перемешивается, как вязкая рисовая каша на огне.
Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым. Однако по инерции сюда все же проникают горячие потоки из более глубоких конвективных слоев. Xорошо известная наблюдателям картина грануляции на поверхности Солнца является видимым проявлением конвекции.
Атмосфера Солнца начинается на 200-300 глубже видимого края солнечного диска называют фотосферой. Поскольку их толщина составляет не более одной трехтысячной доли солнечного радиуса, фотосферу иногда условно называют поверхностью Солнца.
Плотность газов в фотосфере примерно такая же, как в земной стратосфере, и в сотни раз меньше чем у поверхности Земли. Температура фотосферы уменьшается от 8000 К на глубине 300 км до 4000 К в самых верхних слоях. Температура же того среднего слоя, излучение которого мы воспринимаем около 6000 К.
При таких условиях почти все молекулы газа распадаются на отдельные атомы. Лишь в самых верхних слоях фотосферы сохраняется относительно немного простейших молекул и радикалов типа Н2, ОН, СН.
Особую роль в солнечной атмосфере играет не встречающийся в земной природе отрицательный ион водорода, который представляет собой протон с двумя электронами. Это необычное соединение возникает в тонком внешнем, наиболее «холодном» слое фотосферы при «налипании» на нейтральные атомы водорода отрицательно заряженных свободных электронов, которые поставляются легко ионизируемыми атомами кальция, натрия, магния, железа и других металлов. При возникновении отрицательные ионы водорода излучают большую часть видимого света. Этот же свет ионы жадно поглощают, из-за чего непрозрачность атмосферы с глубиной быстро растет. Поэтому видимый край Солнца и кажется нам очень резким.
Почти все наши знания о Солнце основаны на излучении его спектра.
В телескоп с большим увеличением можно наблюдать тонкие детали фотосферы: вся она кажется усыпанной мелкими яркими зернышками – гранулами, разделенными сетью узких темных дорожек. Грануляция является результатом перемешивания всплывающих более теплых потоков газа и опускающихся более холодных. Разность температур между ними в наружных слоях значительно невелика (200-300 К), но глубже, в конвективной зоне, она больше, и перемешивание происходит значительно интенсивнее. Конвекция во внешних слоях Солнца играет огромную роль, определяя общую структуру атмосферы. В конечном счете именно конвекция в результате сложного взаимодействия с солнечными магнитными полями является причиной всех многообразных проявлений солнечной активности.
Магнитные поля участвую во всех процессах на Солнце. Временами в небольшой области солнечной атмосферы возникают концентрированные магнитные поля, в несколько тысяч раз более сильные чем на Земле. Ионизированная плазма – хороший проводник, она не может перемещаться поперек линий магнитной индукции сильного магнитного поля. Поэтому в таких местах перемешивание и подъем горячих газов с низу тормозится, и возникает темная область – солнечное пятно. На фоне ослепительной фотосферы оно кажется совсем черным, хотя в действительности яркость его слабее раз в десять.
С течением времени величина и форма пятен сильно меняются. Возникнув в виде едва заметной точки – поры, пятно постепенно увеличивает свои размеры до десятков тысяч километров. Крупные пятна, как правило, состоят из темной части (ядра) и менее темной – полутени, структура которой придает пятну вид вихря. Пятна бывают окружены более яркими участками фотосферы, называемыми факелами или факельными полями.
Фотосфера постепенно переходит в более разреженные внешние слои солнечной атмосферы – хромосферу и корону.
Хромосфера (греч. «сфера цвета») названа так за свою красновато-фиолетовую окраску. Она видна во время полных солнечных затмений как клочковатое яркое кольцо вокруг черного диска Луны, только что затмившего Солнце. Хромосфера весьма неоднородна и состоит в основном из продолговатых вытянутых язычков (спикул), придающих ей вид горящей травы. Температура этих хромосферных струй в два-три раза выше, чем в фотосфере, а плотность в сотни тысяч раз меньше. Общая протяженность хромосферы 10-15 тыс. километров.
Рост температуры в хромосфере объясняется распространением волн и магнитных полей, проникающих в нее из конвективной зоны. Вещество нагревается примерно так же, как если бы это происходило в гигантской микроволновой печи. Скорости тепловых движений частиц возрастают, учащаются столкновения между ними, и атомы теряют свои внешние электроны: вещество становится горячей ионизованной плазмой. Эти же физические процессы поддерживают и необычайно высокую температуру самых внешних слоев солнечной атмосферы, которые расположены выше хромосферы.
Часто во время затмений (а при помощи специальных спектральных приборов — и не дожидаясь затмений) над поверхностью Солнца можно наблюдать причудливой формы «фонтаны», «облака», «воронки», «кусты», «арки» и прочие ярко светящиеся образования из хромосферного вещества. Они бывают неподвижными или медленно изменяющимися, окруженными плавными изогнутыми струями, которые втекают в хромосферу или вытекают из нее, поднимаясь на десятки и сотни тысяч километров. Это самые грандиозные образования солнечной атмосферы — протуберанцы. При наблюдении в красной спектральной линии, излучаемой атомами водорода, они кажется на фоне солнечного диска темными, длинными и изогнутыми волокнами.
Протуберанцы имеют примерно ту же плотность и температуру, что и хромосфера. Но они находятся над ней и окружены более высокими, сильно разреженными верхними слоями солнечной атмосферы. Протуберанцы не падают в хромосферу потому, что их вещество поддерживается магнитными полями активных областей Солнца.
Пятна, факелы, протуберанцы, хромосферные вспышки — это все проявления солнечной активности. С повышением активности число этих образований на Солнце становится больше.
В отличие от фотосферы и хромосферы самая внешняя часть атмосферы Солнца — корона — обладает огромной протяженностью: она простирается на миллионы километров, что соответствует нескольким солнечным радиусам, а ее слабое продолжение уходит еще дальше.
Плотность вещества в солнечной короне убывает с высотой значительно медленнее, чем плотность воздуха в земной атмосфере. Уменьшение плотности воздуха при подъеме вверх определяется притяжением Земли. На поверхности Солнца тяжести значительно больше, и, казалось бы, его атмосфера не должна быть высокой. В действительности она необычайно обширна. Следовательно, имеются какие-то силы, действующие против притяжения Солнца. Эти силы связаны с огромными скоростями движения атомов и электронов в короне, разогретой до температуры 1-2 млн градусов!
Корону лучше всего наблюдать во время полной фазы солнечного затмения. Правда, за те несколько минут, что она длится, очень трудно зарисовать не только отдельные детали, но даже общий вид короны. Глаз наблюдателя едва лишь начинает привыкать к внезапно наступившим сумеркам, а появившийся из-за края Луны яркий луч Солнца уже возвещает о конце затмения. Поэтому часто зарисовки короны, выполненные опытными наблюдателями во время одного и того же затмения сильно различались. Не удавалось даже точно определить ее цвет.
Изобретение фотографии дало астрономам объективный и документальный метод исследования. Однако получить хороший снимок короны тоже не легко. Дело в том, что ближайшая к Солнцу ее часть, так называемая внутренняя корона, сравнительно яркая, в то время как далеко простирающаяся внешняя корона представляется очень бледным сиянием. Поэтому если на фотографиях хорошо видна внешняя корона, то внутренняя оказывается передержанной, а на снимках, где просматриваются детали внутренней короны, внешняя совершенно незаметна. Чтобы преодолеть эту трудность, во время затмения обычно стараются получить сразу несколько снимков короны — с большими и маленькими выдержками. Или же корону фотографируют, помещая перед фотопластиной специальный «радиальный» фильтр, ослабляющий кольцевые зоны ярких внутренних частей короны. На таких снимках ее структуру можно проследить до расстояний во много солнечных радиусов.
Но уже первые удачные фотографии позволили обнаружить в короне большое количество деталей: корональные лучи, всевозможные «дуги», «шлемы» и другие сложные образования, четко связанные с активными областями. Главной особенностью короны является лучистая структура. Форма корональных лучей очень разнообразна.
Цикл солнечной активности — 11 лет. То есть с 11-летним периодом меняется как яркость так и форма солнечной короны. В эпоху максимума она имеет почти идеально круглую форму. Прямые и направленные вдоль радиуса Солнца лучи короны наблюдаются как у солнечного экватора, так и в полярных областях. Когда же пятен мало, корональные лучи образуются лишь в экваториальных и средних широтах. Форма короны становится вытянутой. У полюсов появляются характерные лучи, так называемые полярные щеточки. При этом общая яркость короны уменьшается. Эта интересная особенность короны, по-видимому, связана с постепенным перемещением в течение 11-летнего цикла зоны преимущественного образования пятен. После минимума пятна начинаю возникать по обе стороны от экватора на широтах 30-40 градусов. Затем зона пятнообразования постепенно опускается к экватору.
Между структурой короны и отдельными образованиями в атмосфере Солнца существует определенная связь. Например, над пятнами и факелами обычно наблюдаются яркие и прямые корональные лучи. В из сторону изгибаются соседние лучи. В основании корональных лучей яркость хромосферы увеличивается. Такую ее область называют обычно возбужденной. Она горячее и плотнее соседних, невозбужденных областей. Над пятнами в короне наблюдаются яркие сложные образования. Протуберанцы также часто бывают окружены оболочками из корональной материи..
Корональный газ — это высокоионизованная плазма; она состоит из множества положительно заряженных ионов всевозможных химических элементов и чуть большего количества свободных электронов, возникших при ионизации атомов водороду (по одному электрону), гелия (по два электрона) и более тяжелых атомов. Поскольку в таком газе основную роль играю подвижные электроны, его часто называют электронным газом, хотя при этом подразумевается наличие такого количества положительных ионов, которое полностью обеспечивало бы нейтральность плазмы в целом.
Белый цвет короны объясняется рассеянием обычного солнечного света на свободных электронах. Они не вкладывают своей энергии при рассеянии: колеблясь в такт световой волны, они лишь изменяют направление рассеиваемого света, при этом поляризуя его. Таинственные яркие линии в спектре порождены необычным излучением высокоионизованных атомов железа, аргона, никеля, кальция и других элементов, возникающим только в условиях сильного разрежения. Наконец, линии поглощения во внешней короне вызваны рассеянием на пылевых частицах, которые постоянно присутствуют в межзвездной среде. А отсутствие линий во внутренней короне связано с тем, что при рассеянии на очень быстро движущихся электронах все световые кванты испытывают столь значительные изменения частот, что даже сильные фраунгоферовы линии солнечного спектра полностью «замываются».
Итак, корона Солнца — самая внешняя часть его атмосферы, самая разреженная и самая горячая. Добавим, что она и самая близкая к нам: оказывается она простирается далеко от солнца в виде постоянно движущегося от него потока плазмы — солнечного ветра. Вблизи Земли его скорость составляет в среднем 400-500 км/с, а порой достигает почти 1000 км/с. распространяясь далека за пределы орбит Юпитера и Сатурна, солнечный ветер образует гигантскую гелиосферу, граничащую с еще более разреженной межзвездной средой.
Фактически мы живем окруженные солнечной короной, хотя и защищенные от ее проникающей радиации надежным барьером в виде земного магнитного поля. Через корону солнечная активность влияет на многие процессы, происходящие на Земле.
это совокупность нестационарных явлений на Солнце. К этим явлениям относятся солнечные пятна, солнечные вспышки, факелы, флоккулы, протуберанцы, корональные лучи, конденсации, транзиенты, спорадическое радиоизлучение, увеличение ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучения и др. Большинство этих явлений тесно связаны между собой и возникают в активных областях. В их протекании отчётливо видна цикличность со средним периодом 11.2 года, а также с периодами 22, 80-90 лет и др.
В процессе развития активной области в атмосфере Солнца иногда возникают ситуации, при которых возможна быстрая перестройка («перезамыкание») магнитных полей. Эта перестройка вызывает вспышки, сопровождаемые сложными движениями ионизованного газа, его свечением, ускорением частиц и т.д. Вспышки на Солнце представляют собой самые мощные из всех проявлений Солнечной активности. Такие вспышки, как правило, наблюдаются вблизи пятен. Обычно бывает несколько слабых вспышек за день.
Сильные вспышки — весьма редкое явление. Вспышке на Солнце представляет собой внезапное выделение энергии в верхней хромосфере или нижней короне, генерирующее кратковременное электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн — от жёсткого рентгеновского излучения (и даже гамма-излучения) до километровых радиоволн. Начало вспышки может быть очень резким, но иногда «взрыву» предшествует несколько минут медленного развития или даже слабая предвспышка. Далее идёт собственно взрывная (жёсткая, импульсная) фаза, во время которой за 1-3 мин ускоряются частицы, формируется горячее облако. В ряде вспышек (их называют тепловыми) жёсткая фаза отсутствует. После достижения максимальной яркости (напр., в мягком рентгеновском излучении через 1-15 мин после начала) процесс горения большой вспышки продолжается ещё несколько часов. К концу жёсткой фазы постепенно формируется направленная наружу ударная волна: основная часть энергии вспышки выделяется в виде кинетической энергии выбросов вещества, движущихся в короне и межпланетном пространстве со скоростями до 1000 км/с, энергии жёсткого электромагнитного излучения и потоков, ускоренных до гигантских энергий (иногда — десятки ГэВ) частиц. Эта ударная волна вызывает проявления радио всплеска. Рентгеновское излучение и солнечные космические лучи, приходящие от вспышки, вызывают дополнительную ионизацию земной ионосферы, что сказывается на условиях распространения радиоволн (нарушения радиосвязи, работы навигационных устройств и т.д.). Поток выброшенных при вспышке частиц примерно через сутки достигает орбиты Земли и вызывает на Земле магнитную бури и полярные сияния. Имеются свидетельства сильного влияния вспышечной активности на погоду и состояние биосферы Земли.
Близ максимума активности наиболее эффективно воздействуют на атмосферу и магнитосферу Земли потоки частиц, ускоренных при вспышках. На фазе спада активности, к концу 11-летнего цикла активности, при уменьшении числа вспышек и развитии межпланетного токового слоя, становятся более существенными стационарные потоки усиленного солнечного ветра. Вращаясь вместе с Солнцем, они вызывают повторяющиеся каждые 27 сут. геомагнитные возмущения. Это рекуррентная (повторяющаяся) активность особенно высока для концов циклов с чётным номером, когда направление магнитного поля солнечного «диполя» антипараллельно земному.
С циклическими изменениями Солнечной активности связано проявление многолетних биологических циклов. Изучением влияния изменений Солнечной активности на живые организмы Земли занимается гелиобиология — наука, основы которой были заложены в нач. 1920-х гг. А.Л.Чижевским. Чижевский считал, что гелиобиология, показывающая несомненную связь земных событий с космическими ритмами, является современной, научной формой древнего астрологического учения. Как показали обширные исторические исследования, проведённые Чижевским, имеется несомненная связь между циклами Солнечной активности и динамикой войн и других социальных потрясений, вспышек эпидемий и эпизоотий и массой других явлений на Земле. Интересно, что первым учёным, выступившим с подобной мыслью, был У.Гершель — астроном, открывший первую невидимую невооружённым глазом планету Уран. Ещё в 1804 г. он обнаружил прямую зависимость между уровнем Солнечной активности и ценами на хлеб. Среди современных исследований на эту тему выделим работу российского историка Валерия Храпова, открывшего «кривую одарённости». Выяснилось, что большинство выдающихся людей (в самых разных областях политики, спорта, искусства) рождается в периоды экстремального (максимального или минимального) уровня Солнечной активности. Кривая смертности также соотносится с кривой Солнечной активности.
Подобные закономерности, несомненно, можно рассматривать как астрологические. Как показали исследования Теодора Ландшайдта, уровень Солнечной активности зависит от взаиморасположения планет и от ряда других астрологических факторов. Более того, Ландшайдт разработал методику, позволяющую сугубо астрологическими методами прогнозировать изменения в Солнечной активности. Долговременные предсказания вспышек Солнечной активности и геомагнитных бурь, которые делает Ландшайдт, сбываются (по данным проверки астрономов) на 90% (!).
Таким образом, если Солнечная активность зависит от астрологических факторов, то и все явления на Земле, связанные с изменением Солнечной активности, также зависят от астрологических показателей.
О том, что на Солнце бывают пятна, люди узнали уже очень давно. В древних русских и китайских летописях, а также в хрониках других народов не редко встречались упоминания о наблюдениях пятен на Солнце. В русских летописях отмечалось, что пятна были видны «Аки гвозди». Записи помогли подтвердить установленную уже позже (в 1841 году) закономерность периодического увеличения числа солнечных пятен. Чтобы заметить такой объект простым глазом (при соблюдении, конечно, мер предосторожности — сквозь густо закопченное стекло или засвеченную негативную фотопленку), необходимо, чтобы его размер на Солнце был не менее 50 — 100 тысяч километров, что в десятки раз превышает радиус Земли.
Солнце состоит из раскаленных газов, которые все время движутся и перемешиваются, и поэтому ничего постоянного и неизменного на солнечной поверхности нет. Самыми устойчивыми образованиями являются солнечные пятна. Но и их вид изо дня в день меняется, и они тоже, то появляются, то исчезают. В момент появления солнечное пятно обычно имеет небольшие размеры, оно может исчезнуть, но может и сильно увеличиться.
Главную роль в большинстве наблюдаемых на Солнце явлений играют магнитные поля. Солнечное магнитное поле имеет очень сложную структуру и непрерывно меняется. Совместные действия циркуляции солнечной плазмы в конвективной зоне и дифференциального вращения Солнца постоянно возбуждает процесс усиления слабых магнитных полей и возникновения новых. Видимо это обстоятельство и является причиной возникновения на Солнце пятен. Пятна то появляются, то исчезают. Их количество и размеры меняются. Но, примерно, каждые 11 лет число пятен становится наибольшим. Тогда говорят, что Солнце активно. С таким же периодом (~ 11 лет) происходит и переполюсовка магнитного поля Солнца. Естественно предположить, что эти явления связанны между собой.
Развитие активной области начинается с усиления магнитного поля в фотосфере, что приводит к появлению более ярких участков — факелов (температура фотосферы Солнца в среднем 6000К, в области факелов примерно на 300К выше). Дальнейшее усиление магнитного поля приводит к появлению пятен.
В начале 11-летнего цикла пятна в небольшом количестве начинают появляться на сравнительно высоких широтах (35 — 40 градусов), а за тем постепенно зона пятнообразования спускается к экватору, до широты плюс 10 — минус 10 градусов, но на самом экваторе пятен, как правило, не бывает.
Галилео Галилей одним из первых заметил, что пятна наблюдаются не всюду на Солнце, а, главным образом, на средних широтах, в пределах так называемых «королевских зон».
Сначала обычно появляются одиночные пятна, но затем из них возникает целая группа, в которой выделят два больших пятна — одно — на западном, другое — на восточном краю группы. В начале нашего века выяснилось, что полярности восточных и западных пятен всегда противоположны. Они образуют как бы два полюса одного магнита, а потому такую группу называют биполярной. Типичное солнечное пятно имеет размеры несколько десятков тысяч километров.
Галилей, зарисовывая пятна, отмечал вокруг некоторых из них серую каемку.
Действительно, пятно состоит из центральной, более темной части — тени и более светлой области — полутени.
Солнечные пятна иногда бывают видны на его диске даже невооруженным глазом. Кажущаяся чернота этих образований вызвана тем, что их температура примерно на 1500 градусов ниже температуры окружающей их фотосферы (и соответственно непрерывное излучение от них гораздо меньше). Одиночное развитое пятно состоит из темного овала — так называемой тени пятна, окруженного более светлой волокнистой полутенью. Неразвитые мелкие пятна без полутени называют порами. Зачастую пятна и поры образуют сложные группы.
Типичная группа пятен изначально возникает в виде одной или нескольких пор в области невозмущенной фотосферы. Большинство таких групп обычно исчезают через 1-2 суток. Но некоторые последовательно растут и развиваются, образовывая достаточно сложные структуры. Солнечные пятна могут быть больше в диаметре, чем Земля. Они часто объединяются в группы. Они формируются за несколько дней и обычно исчезают за неделю. Некоторые большие пятна, хотя, могут сохраняться в течение месяца. Большие группы солнечных пятен более активны, чем маленькие группы или отдельные пятна.
Солнце меняет состояние магнитосферы и атмосферы Земли. Магнитные поля и потоки частиц, которые идут от солнечных пятен, достигают Земли и влияют прежде всего на мозг, сердечно-сосудистую и кровеносную системы человека, на ее физическое, нервное и психологическое состояние. Высокий уровень солнечной активности, его быстрые изменения возбуждают человека, а поэтому и коллектив, класс, общество, особенно, когда есть общие интересы и понятная и воспринимаемая идея.
Поворачиваясь к Солнцу то одним, то другим своим полушарием, Земля получает энергию. Этот поток можно представить в виде бегущей волны: там, где падает свет — ее гребень, где темно — провал. Иными словами, энергия то прибывает, то убывает. Об этом в своем знаменитом естественном законе говорил еще Михаил Ломоносов.
Теория о волнообразном характере поступления энергии на Землю побудила основоположника гелиобиологии Александра Чижевского обратить внимание на связь между увеличением солнечной активности и земными катаклизмами. Первое наблюдение, сделанное ученым, датируется июнем 1915 года. На Севере блистали полярные сияния, наблюдавшиеся как в России, так и в Северной Америке, а «магнитные бури непрерывно нарушали движение телеграмм». Как раз в этот период ученый обращает внимание на то, что повышенная солнечная активность совпадает с кровопролитием на Земле. И действительно, сразу после появления больших пятен на Солнце на многих фронтах Первой мировой усилились военные действия.
Теперь астрономы говорят, что наше светило становится все более ярким и жарким. Это связано с тем, за последние 90 лет активность его магнитного поля увеличилась более чем вдвое, причем наибольший рост произошел за последние 30 лет. В Чикаго, на ежегодной конференции Американского астрономического общества, прозвучало предупреждение ученых о грозящих человечеству неприятностях. Как раз в тот момент, когда компьютеры по всей планете будут приспосабливаться к условиям работы в 2000 году, наше светило вступит в наиболее бурную фазу своей 11-летней циклической.Теперь ученые смогут безошибочно предсказывать солнечные вспышки, что даст возможность заблаговременно подготовиться к возможным сбоям в работе радио- и электросетей. Сейчас большинство солнечных обсерваторий подтвердило «штормовое предупреждение» на следующий год, т.к. пик солнечной активности наблюдается каждые 11 лет, а предыдущая буря наблюдалась в 1989 году.
Это может привести к тому, что на Земле выйдут из строя линии электропередач, изменятся орбиты спутников, которые обеспечивают работу систем связи, «направляют» самолеты и океанские лайнеры. Солнечное «буйство» обычно характеризуется мощными вспышками и появлением множества тех самых пятен.
Александр Чижевский еще в 20-х гг. обнаружил, что солнечная активность влияет на экстремальные земные события – эпидемии, войны, революции… Земля не только обращается вокруг Солнца – все живое на нашей планете пульсирует в ритмах солнцедеятельности, – установил он.
ПРЕДЧУВСТВИЕМ ИСТИНЫ назвал поэзию французский историк и социолог Ипполит Тард. В 1919 г. Чижевский написал стихотворение, в котором провидел свою судьбу. Посвящено оно было Галилео Галилею:
И вновь и вновь взошли
на Солнце пятна,
И омрачились трезвые умы,
И пал престол, и были неотвратны
Голодный мор и ужасы чумы
<…>
И жизни лик подернулся гримасой:
Метался компас, буйствовал народ,
А над Землей и над людскою массой
Свершало Солнце свой законный ход.
О ты, узревший солнечные пятна
С великолепной дерзостью своей,
Не ведал ты, как будут мне понятны
И близки твои скорби, Галилей!
В 1915–1916 гг., следя за происходящим на русско-германском фронте, Александр Чижевский сделал поразившее его современников открытие. Усиление солнечной активности, фиксируемое в телескоп, совпадало по времени с активизацией боевых действий. Заинтересовавшись, он провел статистическое исследование среди родных и знакомых на предмет возможной связи нервно-психических и физиологических реакций с появлением вспышек и пятен на Солнце. Математически обработав полученные таблички, он пришел к потрясающему выводу: Солнце влияет на всю нашу жизнь гораздо тоньше и глубже, чем это представлялось до этого. В кровавой и мутной замяти конца века мы видим наглядное подтверждение его идей. А в спецслужбах разных стран ныне целые отделы занимаются анализом солнечной активности… В главном, была доказана синхронность максимумов солнечной активности с периодами возникновения революций и войн, периоды усиленной деятельности солнечных пятен часто совпадали со всякими общественными смятениями.
Недавно несколько космических спутников зафиксировали выброс солнечных протуберанцев, характеризующийся необычно высоким уровнем рентгеновского излучения. Такие явления представляют серьезную угрозу для Земли и ее жителей. Вспышка такой мощности потенциально способна дестабилизировать работу энергетических сетей. К счастью, поток энергии не затронул Землю и никаких ожидаемых неприятностей не случилось. Но само по себе событие является провозвестником так называемого «солнечного максимума», сопровождающегося выбросом гораздо большего количества энергии, способного вывести из строя коммуникации связи и силовые линии, трансформаторы, под угрозой будут находиться космонавты и космические спутники, находящиеся вне магнитного поля Земли и не защищенные атмосферой планеты. На сегодняшний день спутников NASA на орбите больше, чем когда-либо прежде. Существует угроза и для самолетов, выражающаяся в возможности прекращения радиосвязи, глушении радиосигналов.
Солнечные максимумы плохо поддаются прогнозированию, известно только, что они повторяются примерно через каждые 11 лет. Ближайший должен случиться в середине 2000 года, и его продолжительность будет от года до двух лет. Так утверждает Дэвид Хатавей, гелиофизик Космического центра полетов Marshall, NASA.
Протуберанцы в течение солнечного максимума могут возникать ежедневно, но неизвестно, какой именно силой они будут обладать и затронут ли они нашу планету. В течение нескольких прошлых месяцев всплески солнечной активности и вызванные ими направленные на Землю потоки энергии были слишком слабы, чтобы причинить какой-либо ущерб. Помимо рентгеновского излучения, это явление несет и другие опасности: Солнце выбрасывает миллиард тонн ионизированного водорода, волна которого перемещается со скоростью миллион миль в час и способна достигнуть Земли за несколько дней. Еще большую проблему представляют собой энергетические волны протонов и альфа-частиц. Они перемещаются с гораздо большей скоростью и не оставляют времени для принятия контрмер, в отличие от волн ионизированного водорода, с пути которых можно успеть убрать спутники и самолеты.
В некоторых, самых экстремальных случаях все три волны могут достигнуть Земли внезапно и почти одновременно. Защиты нет, ученые пока не в силах точно предсказать такой выброс и тем более его последствия.
Количество пятен на Солнце не является постоянной величиной. В дополнению к вполне очевидным вариациям, связанным с вращением Солнца (пятна появляются в поле зрения и исчезают за краем), в течение времени новые группы пятен формируются, а старые исчезают. При наблюдении в течении короткого периода времени (несколько недель или месяцев) эта вариация в числе пятен выглядит случайной. Однако наблюдения за много лет привели к открытию значительной особенности Солнца: количество пятен меняется периодически, что обычно описывается как 11 — летний цикл (в действительности период меняется и находится ближе к 10.5 годичному циклу в нашем столетии).
В 1848 году Иоган Рудольф Вольф изобрел методику подсчета солнечных пятен на диске, получаемое число называют числом Вольфа: W=k(f+10g), где f — число всех отдельных пятен, в данный момент наблюдаемых на солнечном диске, а g — число образованных ими групп. Этот индекс очень удачно отражает вклад в солнечную активность не только от самих пятен, но и от всей активной области, в основном занятой факелами. Поэтому числа W очень хорошо согласуются с более современным и точнее определяемым индексом, обозначаемым F10.7 — величиной потока радиоизлучения от всего Солнца на волне 10,7 см.
Сегодня числа Вольфа (осредненные по многим наблюдениям) используют для характеристики солнечной активности.
Во время солнечного цикла пятна мигрируют от полюса к экватору, и распределение пятен по широте дает так называемую, очень эффектную, диаграмму бабочки .
В то время как продолжительность цикла была практически одинакова в этом столетии, в прошлом наблюдались значительные отклонения. Примерно с 1645 по 1715 годы (период, известный как Маундеровский минимум) на Солнце практически не наблюдались пятна, что имело, по-видимому, влияние на земной климат (см. дальше).
Особенно длительный период истории солнечной активности скрыт в данных о распространенности в прошлом углерода-14 (радиоактивного изотопа обычного углерода-12). Интенсивность образования С-14 в земной атмосфере зависит от потока частиц высоких энергий, известных как галактические космические лучи, которые рождаются в высокоэнергичных процессах вне Солнечной системы. Способность этих космических лучей проникать в Солнечную систему зависит от величины и геометрии магнитных полей, уносимых от Солнца солнечным ветром в периоды высокой активности. В процессе фотосинтеза растения поглощают С-14 вместе с другими изотопами углерода и включают его в свою структуру. Уровни солнечной активности за прошедшие 2000 лет могут быть оценены путем измерения распространенности С-14 в годовых кольцах старых деревьев. Возраст таких колец может быть легко найден обратным счетом от внешнего кольца. Сведения из древних источников о наблюдении солнечных пятен и полярных сияний, а также данные о распространенности С-14 были обобщены Эдди в 1976 г. Он установил, что Маундеровский минимум совпадает с очень резким понижением солнечной активности, о чем свидетельствуют перерыв в появлении полярных сияний и высокий уровень С-14. Впоследствии Эдди и другие ученые показали, что такие периоды аномально низкой солнечной активности продолжаются в течение нескольких десятилетий и типичны для Солнца. Аналогичный эпизод, Шпуреровский минимум, имел место в период примерно от 1450 до 1550 гг. Однако протяженный период высокой солнечной активности приблизительно между 1100 и 1250 гг. совпал с относительно теплой погодой, которая, по-видимому, сделала возможной миграцию викингов в Гренландию и Новый Свет. Возможно, что очередное затухание солнечной активности можно ожидать в следующем веке.Почему существует солнечный цикл? До конца никто не знает окончательного ответа на этот вопрос. Детальное объяснение природы солнечного цикла является фундаментальной проблемой солнечной физики, которую еще предстоит решить.
О солнце и его энергии написаны сотни книг. О нём пишут физики и химики, астрономы и астрофизики, географы и геологи, биологи и инженеры. И в этом нет ничего удивительного. Ведь солнце является источником жизни для всего земного. Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере. Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности. Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).
А разве могли бы обойтись без солнца люди и животные? Конечно, нет. Они, если не прямо, то косвенно зависят от него, поскольку не могут жить без воды и без пищи.
Итак, Солнце – это основной источник энергии на земле и первопричина, создавшая большинство других энергетических ресурсов нашей планеты, таких, как запасы каменного угля, нефти, газа, энергии ветра и падающей воды, электрической энергии и т.д.
Энергия Солнца, которая в основном выделяется в виде лучистой энергии, так велика, что её трудно даже себе представить. Достаточно сказать, что на Землю поступает только одна двухмиллиардная доля этой энергии, но она составляет около 2,5*1018 кал./мин. По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение луны, звёзд, космические лучи), так и внутренние (внутренние тепло Земли, радиоактивное излучение, запасы каменного угля, нефти и т.д.) пренебрежительно малы.
Солнце — самая близкая к нам звезда представляющая собой огромный светящийся газовый шар, диаметр которого примерно в 109 раз больше диаметра Земли, а его объём больше объёма Земли примерно в 1 млн. 300 тыс. раз. Средняя плотность Солнца составляет около 0,25 от плотности нашей планеты.
Поскольку солнце не твёрдый, а газовый шар, говорить о его размерах следует условно, понимая под ними размеры видимого с Земли солнечного диска.
Внутренняя часть солнца не доступна наблюдению. Она представляет собой своеобразный атомный котёл гигантских размеров, где под давлением около 100 миллиардов атмосфер происходят сложные ядерные реакции, во время которых водород превращается в гелий. Они-то и являются источником энергии солнца. Температура внутри солнца оценивается в 16 миллионов градусов.
О том, что это за температура, английский учёный Д.Джинс в книге «Вселенная вокруг нас» говорит следующие: «… булавочная головка вещества, нагретого до температуры, которое царит в центре солнца, излучала бы столько тепла, что человек, находящийся на расстоянии в 150 км от неё сгорел бы мгновенно». Газ, который бушует в недрах Солнца, не только необычайно горяч, но и очень тяжёл. Его плотность в 11,4 раза превышает плотность Солнца. В этом атомном котле возникают невидимые рентгеновские лучи. Прежде чем достигнуть поверхности Солнца, они проходят очень извилистый путь, преодоление которого занимает около 20 тыс. лет. Чем ближе они приближаются к поверхности Солнца, тем всё больше увеличиваются длины волн, а частота колебаний уменьшается, пока они не превращаются в ультрафиолетовый и видимый свет.
По мере изменения характера лучистой энергии меняется и температура Солнца. На расстоянии ¾ радиуса от центра она снижается примерно до 150 тыс. градусов. Наблюдать с Земли можно только внешнюю оболочку Солнца (фотосферу). Она-то и излучает солнечную радиацию. Толщина фотосферы всего около 300 км, а температура её поверхности 5700 градусов.
Выше слоя фотосферы располагается солнечная атмосфера. Солнечную атмосферу учёные разделяют на две части. Нижний её слой, где вспыхивают языки пламени солнечного газа, называется хромосферой, а верхний – практически безграничный слой – солнечной короной. Температура её газов достигает миллионов градусов, то есть в тысячи раз выше, чем температура фотосферы.
Столь огромное повышение (а не понижение) температуры солнечных газов по мере удаления от солнца учёные объясняют возникновением ударных волн, рождающихся чудовищной силой шумом, который происходит на поверхности светила.
Современные исследования космических станций показывают, что газы солнечной короны заполняют всё межпланетное пространство солнечной системы. Газовые частицы, непрерывно излучаемые солнечной короной (корпускулы), образуют в межпланетном пространстве своеобразный «солнечный ветер». О некоторых свойствах этого ветра можно узнать, наблюдая поведение комет или магнитное возмущения в верхних слоях атмосферы, расположенных в близи магнитных полюсов Земли.
Скорость газовых частиц, образующих «солнечный ветер» 300 – 500, а по некоторым данным даже 800 км в секунду. Благодаря этому «ветру» Солнце непрерывно теряет не только энергию, но и массу. Он ежегодно уносит от Солнца около 1,4*1013 тонн вещества. Но, хотя эта цифра и астрономическая, потери солнечной материи, по сравнению с общей массой Солнца, так малы, что могут привести к уменьшению её на 1% лишь через 100 миллиардов лет.
Земля, как, впрочем, и все планеты солнечной системы окружена не безвоздушным холодным пространством, а раскалённым корональным газом, температура которого достигает десятков тысяч градусов. Верхний разряжённый слой атмосферы Земли (экзосфера) как бы сливается с этим потоком летящих от солнца горячих газов. Поэтому и температура частиц воздуха здесь достигает сотен градусов ниже нуля.
Помимо газовых частиц (корпускул), которые, как я сказал, летят от Солнца со скоростью 300 – 500 и более км/сек. и достигают поверхности Земли примерно через 8 – 10 минут, Солнце излучает энергию в виде электромагнитных волн различной длины и частоты, начиная от нескольких Ангстрем (1 микрон = 10000 Ангстрем) и заканчивая очень длинными радиоволнами. Основная часть приходящей на Землю солнечной радиации лежит в пределах 0,17 – 24 микрона, причём 99% этой радиации приходится на участок спектра от 0,17 до 4 микрон. Радиация Солнца с длинами волн меньше 0,17 микрон поглощается верхними слоями атмосферы, и измерить её можно только поднявшись на большие высоты. Эта коротковолновая ультрафиолетовая радиация Солнца является очень опасной для жизни живых организмов. Если бы атмосфера не предохраняла нас от неё, то жизнь на Земле была бы невозможной.
Солнечная радиация с длинами волн больше 24 микрон составляет ничтожно малую величину и в практических расчётах не учитывается. Весь остальной спектр радиации Солнца (от 0,17 до 4 микрон) обычно делят на три части. Первая часть – ультрафиолетовая радиация (от 0,17 до 0,35 микрона). За сильное воздействие на живые организмы её иногда называют химической радиацией. Именно она вызывает изменения в составе кожного пигмента и образует солнечный загар, а при длительном воздействии – эритему или ожог. При длительном облучении она губительно действует на многие микроорганизмы. Однако, несмотря на значимость этой радиации в жизни растений и животных, её доля в энергетическом балансе Земли не превышает 7 процентов.
Вторую часть солнечного спектра (от 0,35 до 0,75 микрона) составляет световая радиация, то есть то, что мы называем солнечным светом. На долю этой радиации в энергетическом балансе приходится уже 46 процентов.
И, наконец, третью часть солнечного спектра (от 0,76 до 4 микрон и далее) образует так называемая инфракрасная, уже невидимая для глаза, радиация (47 процентов).
Если смотреть на Солнце через тёмное стекло, туман или дымку (особенно, когда оно находится близко к горизонту), то можно увидеть огромное тёмное пятно. В действительности оказывается, что это пятно, являющееся основанием фотосферы, отнюдь не сплошное и по внешнему виду напоминает вымощенную булыжником мостовую.
Наблюдения показывают, что поверхность Солнца никогда не бывает спокойна. Углубления на этой «мостовой» иногда сливаются между собой, образуя большие тёмные пятна, свидетельствующие о сильных вертикальных движениях солнечных газов; во время солнечной активности таких пятен одновременно может насчитываться несколько, в спокойные же периоды поверхность Солнца месяцами может оставаться чистой. Изучая частоту и интенсивность полярных сияний, которые увеличиваются и усиливаются в период солнечной активности, учёные установили, что солнечная активность имеет свою периодичность 2, 6, 11, 26, и около 100 лет. Особенно хорошо прослеживается 11-летний цикл.
В те годы, когда максимумы или гребни этих волн накладываются друг на друга, усиление солнечной активности происходит наиболее резко. Такая ситуация произошла в 1957 году, который учёные выбрали в качестве Международного геофизического года для организации своих наблюдений одновременно на всём земном шаре. В этот год число пятен (оно измеряется в условных единицах, называемых числами Вольфа) достигло рекордного за последние 250 лет значения.
400
200
0
1800 1850 1900 1950 1965г
-200
-400
Активность Солнца влияет на процессы, происходящие как на Земле, так и в атмосфере. С её усилением в атмосфере происходят магнитные возмущения, магнитные бури, ухудшается или даже прекращается прохождение радиоволн. Установлено большое влияние солнечной активности на погоду и даже на климат, а также на геофизические процессы, происходящие в твёрдой оболочке Земли.
Дело в том, что так называемая плоскость эклиптики, в которой происходит вращение Земли вокруг Солнца, наклонена к солнечному экватору всего на 70. Это означает, что к Земле поступает лучистая энергия и корпускулярное излучение только из узкой экваториальной области Солнца. Вместе с тем астрономами установлено, что в период усиления солнечной активности образовавшиеся на Солнце пятна постепенно сползают от солнечных полюсов в зону солнечного экватора. Это приводит к тому, что в эти периоды к Земле приходит значительно больше ультрафиолетовых лучей и радиации сверхкоротких длин волн. Их влияние сказывается главным образом, на высоких слоях атмосферы и мало отражается на интенсивности прямой радиации, приходящей к земной поверхности.
В высоких слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца молекулы кислорода О2 расщепляются пополам, или, как говорят, диссоциируются (О2 ® О + О). Образовавшиеся в результате диссоциации свободные атомы кислорода очень неустойчивы, они быстро присоединяются к какой-либо другой молекуле кислорода, образуя новый газ, называемый озоном (О3).
Наибольшая концентрация озона наблюдается в слое атмосферы от 10 до 30 км над поверхностью. Поэтому его часто называют озоновым слоем. Этот слой озона имеет очень высокое значение при формировании климата не только в свободной атмосфере, но и земной поверхности. Дело в том, что озон поглощает значительную часть тепловых лучей, испускаемых земной поверхностью в мировое пространство. Поглотив их, он, во-первых, нагревает слой воздуха, в котором содержится, а во-вторых, возвращает тепло обратно на Землю, препятствуя её охлаждению. Он действует наподобие рамы в парнике, таким образом, возникает тепловой эффект, который он оказывает на поверхность нашей планеты этот эффект называется парниковым.
С увеличением интенсивности солнечного излучения количество озона в атмосфере увеличивается, а его максимальная интенсивность перемещается с высоты 28 – 30 км на высоту 10 – 11 км. Благодаря такому перераспределению озона при ясном небе равновесная температура у поверхности Земли может повыситься на несколько градусов, что в свою очередь, сказывается на изменении давления воздуха у земной поверхности, а вместе с ним – на общей циркуляции атмосферы. Примерно каждые два года, а точнее каждые 26 месяцев, ветры от западных переходят к восточным, а затем снова к западным.
Но солнечная активность связана не только с количеством и площадью солнечных пятен. Имеются и другие астрономические условия, усиливающие или ослабляющие поступление солнечной радиации к границам земной атмосферы и создающие свою цикличность. Одним из таких условий является 27-дневный период вращения Солнца вокруг своей оси. В связи с этим вращением возникшие или скопившиеся в какой-либо части солнечного экватора тёмные пятна появляются или исчезают с видимого диска Солнца, изменяя тем самым количество солнечной радиации, излучаемой в сторону Земли. Такой 27-дневный цикл не может не повлиять на погоду и другие геофизические процессы, происходящие на земной поверхности и в атмосфере.
Вот какие данные о волнах холода в Петербурге приводит, например, доктор геофизических наук Т.В. Покровская (1967 г.). В первый день календаря каждого месяца среднее число волн холода равно двадцати, на десятый день – двенадцати, на девятнадцатый – сорока, на двадцать шестой – тридцати семи. Как видно из сказанного, в первую половину любого месяца года вероятность тёплой погоды в Петербурге примерно в 2 — 3 раза выше, чем в конце месяца.
С ещё более продолжительными циклами солнечной активности, равными в среднем 7 годам, связанны, по-видимому, дождливые годы на западном побережье Южной Америки, которые повторяются через каждые 7 лет, а также суровые зимы на северо-западе России, наблюдающиеся через такой же промежуток времени.
Не без влияния Солнца образуются в атмосфере и на Земле известные в народе ещё с древнейших времён так называемые крещенские и сретенские морозы или частые грозы в ильин день (2 августа). Ученые, обработав записи грозорегистраторов за последние годы, обнаружили, что они имеют чёткую периодичность, причём наибольшая активность гроз из года в год наблюдается, если не в те дни, которые установлены народными приметами (ильин день, день Самсона и т.д.), то близко от них.
Значительное влияние указывает усиление солнечной активности не только на процессы, но и на состояние самого человека. Ещё в середине века химики заметили любопытное явление: некоторые коллоидные растворы ни с того ни с сего начинают терять коллоидную устойчивость. Взвешенные в них вещества вдруг выпадают в виде осадка, а красители обесцвечиваются. Специалисты фетрового и войлочного производств ещё раньше заметили, что при определённых условиях фетр и войлок очень трудно выделывается. В цементной промышленности в тоже время высококачественные сорта цемента плохо цементируются и т.д.
Итальянскому химику Пикарди удалось установить тесную связь этих оригинальных явлений с магнитными бурями, а через них — и с солнечной активностью. Оказалось, что нарушение коллоидального равновесия некоторых растворов всегда связано с усилением солнечной активности и увеличением корпускулярного излучения Солнца. Позднее врачи установили, что состояние людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями ухудшается при повышении солнечной активности. Причина здесь кроется в изменении состоянии крови, которая, будучи своеобразным коллоидом, также оказалась подвержена воздействию повышенного излучения Солнца. Медики уже нашли некоторые способы защиты от их вредного действия. Иное влияние оказывает солнечное излучение в периоды спокойного Солнца. В это время увеличивается поступление солнечной энергии в световой части спектра, а вместе с ней возрастает и интенсивность прямой радиации у земной поверхности. Поэтому становится понятным такое, казавшиеся раньше необъяснимым, явление природы, как увеличение на Земле в 3 – 4 раза числа жестоких засух. Они наблюдаются как раз в периоды минимума солнечной активности или предшествуют этим периодам.
Солнечное излучение, падающее на Землю, в общем-то очень стабильно, иначе жизнь на Земле подвергалась бы слишком большим температурным перепадам. В настоящее время спутники очень тщательно измерили энергию, излучаемую Солнцем, и показали, что солнечная постоянная не постоянна, а подвержена вариациям в пределах десятых долей процента, причем долгопериодические вариации связаны с солнечным циклом (рис. 8) (Солнечная постоянная — количество солнечной энергии, приходящей на поверхность площадью 1 кв.м, развернутую перпендикулярно солнечным лучам в космосе) От максимума к минимуму солнечная постоянная уменьшается примерно на 0.1%, т.е. во время максимума активности (много пятен на Солнце) оно излучает как бы больше. Такие изменения также могут иметь влияние на земной климат. В Маундеровский минимум (1645-1715) было очень мало пятен. Этот период известен на Земле как малый ледниковый период: в это время было намного холоднее, чем сейчас. В принципе это может быть простым совпадением, но скорее всего, эти события имеют причинную связь.
Глубина проникновения солнечной радиации в атмосферу Земли зависит от длины волны его излучения. К счастью для жизни, оксид азота в тонком слое атмосферы на высоте выше 50 км над поверхностью Земли блокирует очень переменное коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. На меньших высотах озон и молекулярный кислород поглощают длинноволновую часть ультрафиолетового излучения, которое также вредно для жизни. Изменения солнечного ультрафиолетового излучения влияют на структуру озонового слоя.
На Землю оказывает воздействие также так называемый солнечный ветер, обусловленный спокойным испусканием коронарной плазмы. Солнечный ветер очень сильно влияет на хвосты комет и даже имеет измеряемые эффекты влияния на траекторию спутников. Заряженные частицы из солнечного ветра ответственны за северные и южные полярные сияния, когда они пронизывают земную атмосферу на высокой скорости и заставляют ее светиться.
Испускание Солнцем заряженных частиц, которое зависит в основном от условий в слоях, расположенных выше фотосферы, также меняется в цикле солнечной активности. Наибольшее значение среди этих частиц с точки зрения влияния на земные процессы имеют высокоэнергичные протоны, которые выбрасываются при взрывах в солнечной короне (одновременно выбрасываются также высокоэнергичные электроны).
Приходящие к Земле высокоэнергичные солнечные протоны имеют энергии от 10 млн. до 10 млрд. эВ (для сравнения энергия фотона видимого света составляет около 2 эВ). Наиболее энергичные протоны движутся со скоростью, близкой к скорости света, и достигают Земли приблизительно через 8 мин после самых мощных солнечных вспышек. Такие вспышки связаны с колоссальными извержениями в активных областях Солнца, которые резко увеличивают свою яркость в рентгеновском и крайнем ультрафиолетовом диапазонах. Считается, что источником энергии вспышек является быстрое взаимоуничтожение (аннигиляция) сильных магнитных полей, при которой происходит разогрев плазмы и возникают мощные электрические поля, ускоряющие заряженные частицы. Эти частицы способны оказать разнообразное влияние на людей находящихся в этот момент не под защитой земного магнитного поля.
Мощные протонные вспышки являются важным фактором для планирования полетов на гражданских авиалиниях, особенно проходящих в полярных широтах, где силовые линии земного магнитного поля направлены перпендикулярно поверхности Земли и поэтому позволяют заряженным частицам достигать нижних слоев атмосферы. Пассажиры в этом случае подвергаются повышенному радиационному облучению. Еще более сильное воздействие такие явления могут оказывать на экипажи космических аппаратов, особенно тех, которые летают на орбитах, проходящих через полюсы. Наблюдалось также влияние протонных вспышек на функционирование вычислительных систем. Так, в августе 1989 года одно такое событие парализовало работу вычислительного центра фондовой биржи в Торонто. В течение солнечного цикла происходит лишь несколько десятков таких мощных вспышек, и их частота значительно выше в его максимуме, чем в минимуме.
Изменения потока плазмы солнечного ветра, обтекающего Землю, приводят к воздействию совсем иного вида. Эта относительно низко энергичная плазма как бы убегает из солнечной короны, преодолевая из-за высокой температуры гравитационное притяжение Солнца. Магнитное поле Земли воздействует на заряженные частицы солнечного ветра и не позволяет им приблизиться к поверхности планеты. Пространство вокруг Земли, в которое в основном не могут проникать частицы солнечного ветра, называют земной магнитосферой. Вспышки и другие резкие изменения магнитных полей на Солнце приводят к возмущениям в солнечном ветре и изменяют давление плазмы на земную магнитосферу. Связанные с воздействием солнечного ветра изменения геомагнитного поля составляют лишь около 0,1% его напряженности, равной приблизительно 1 Гс. Однако индуцируемые даже столь малыми изменениями геомагнитного поля электрические токи в длинных проводниках на поверхности Земли (таких как высоковольтные линии или трубы нефтепроводов) могут приводить к драматическим последствиям. Например, 13 марта 1989 г. сильная магнитная буря, вызванная вспышками, связанными с одним из крупнейших, когда либо наблюдавшихся пятен на Солнце, вывела из строя систему электроснабжения всей провинции Квебек.Часть сильных геомагнитных бурь связана со вспышками, происходящими в активных областях Солнца, и поэтому частота таких бурь возрастает с ростом числа солнечных пятен в магнитном цикле. Долгое время предпринимались многочисленные попытки найти связь между солнечной активностью и погодой, Выдающийся английский астроном Уильям Гершель предположил (совершенно правильно!), что Солнце наиболее ярко светит при максимуме солнечных пятен, а повышение температуры в этот период должно было бы приводить к увеличению урожая пшеницы и соответственно падению цен на нее. В 1801 г. он заявил, что цена на пшеницу действительно коррелирует с циклом солнечных пятен. Корреляция, однако, оказалась недостоверной, и Гершель стал заниматься другими проблемами. Многие такие кажущиеся связи оказались недолговечными, и все они имели тот недостаток, что были скорее статистическими, чем причинными. Никто еще не предложил разумного механизма, посредством которого столь малые изменения солнечной постоянной могли бы ощутимо влиять на земные процессы. Однако поиск продолжается. В 1987 г. Карин Лабицке из Свободного университета в Берлине сообщила о наиболее убедительной из всех ранее найденных связей. Она обнаружила, что в течение последних 40 лет оттепели зимой в США и Западной Европе очень хорошо коррелируют с солнечным циклом, если принимать во внимание изменение направления стратосферных ветров, происходящее приблизительно каждые два года. Найденное соответствие выдержало многочисленные статистические проверки и объяснило очень мягкую зиму 1988/89 г. в Англии и Западной Европе. Установление физически разумной связи между вариациями солнечной активности и климата явилось бы громадным шагом вперед в понимании взаимосвязи Земли с ее звездой.
Это все показывает, что Солнце имеет огромное влияние на Землю. Однако, тем не менее, это совершенно ничтожное влияние, по сравнению с тем, что случится с Солнцем и Землей через несколько миллиардов лет (см. эволюция Солнца и солнечной системы)...
Затмения Солнца относятся к таким явлениям природы, о дне наступления которых заранее известно. Астрономы всегда тщательно готовятся к наблюдениям затмений, а в места, где они видны, снаряжаются специальные экспедиции.
… Наступает день затмения.
Природа живет своей обычной жизнью. В синем небе ярко сияет Солнце. Ничто не предвещает грядущего события. Но вот на правом краю Солнца появляется ущерб. Он медленно увеличивается, и солнечный диск принимает форму серпа, обращенного выпуклостью влево. Солнечный свет постепенно ослабевает. Становится прохладнее. Серп делается совсем тоненьким, и вдруг эта узенькая дуга распадается на две, и наконец за черным диском исчезают последние яркие точки. На всю окружающую местность ложится полумрак. Небо принимает ночной вид, на нем вспыхивают яркие звезды. Вдоль горизонта появляется кольцо оранжевого оттенка.
Это наступило полное солнечное затмение. На месте погасшего светила виден черный диск, окруженный серебристо-жемчужным сиянием.
Напуганный внезапно наступившей темнотой звери и птицы замолкают и спешат укрыться на ночной покой, многие растения свертывают листья; 2, 3, иногда 5 минут длится необычная темнота, И вновь вспыхивают яркие солнечные лучи. В тот же миг исчезает серебристо жемчужное сияние, гаснут звезды. Словно на заре, поют петухи, возвещая о наступлении дня. Вся природа опять оживает.
Солнце снова принимает вид серпа, но теперь уже повернутого выпуклостью в другую сторону, как серп «молодой» Луны. Серп увеличивается, и уже через час в небе все как обычно.
Солнечное затмение — очень величественное и красивое явление природы. Никакого вреда растениям, животным и человеку оно, конечно, причинить не может.
Но не так думали люди в далеком прошлом. Солнечное затмение знакомо человеку с глубочайшей древности. Но люди не знали, отчего оно происходит. Панический страх вызывало у людей неожиданное, таинственное исчезновение лучезарного светила. В угасании Солнца среди бела дня они видели проявление неведомых сверхъестественных сил. У восточных народов существовало поверье, что во время затмения некое злое чудовище пожирает Солнце.
Отголоски этих древних представлений человека встречались и в сравнительно недавнее время. Так, в Турции во время затмения 1877г. перепуганные жители стреляли из ружей в Солнце, желая прогнать шатана (злого духа), пожиравшего, по их мнению, Солнце.
В русских летописях мы находим многочисленные упоминания о затмениях. В Ипатьевской летописи, например, говорится о затмении, упоминаемом в «Слове о полку Игореве».
Это затмение Солнца произошло в 1185 г. оно было полным в Новгороде и Ярославле. Князь Игорь со своей дружиной был в это время на р. Донце, где затмение было неполным (была закрыта лишь часть солнечного диска). Летописец высказывает убеждение, что это затмение оказалось причиной поражения Игоря в битве с половцами.
И даже тогда, когда действительная причина солнечных затмений была уже известна ученым, затмение все-таки часто вызывало у населения страх. Люди считали, что затмение послано богом и предвещает конец мира, голод, несчастье. Эти суеверные представления сеяли среди народа служители религиозных культов, чтобы держать народные массы в повиновении.
Передовые люди разных времен старались развеять у народа страх, вызываемый затмениями. Например, Петр I обращался к ученым и должностным лицам с просьбой принять участие в распространении правильного объяснении ожидавшегося 1 мая 1706 г. солнечного затмения. Известно его письмо к адмиралу Головину, в котором он писал: «Господин адмирал. Будущего месяца в первый день будет великое солнечное затмение. Того ради изволь сие поразгласить в наших людях, что когда оное будет, дабы за чудо не поставили. Понеже, когда люди про то ведают преже, то не есть уже чудо».
В нашей Советской стране правильное научное объяснение различных явлении природы дошло до самых отдаленных уголков. И теперь у нас едва ли найдется такой человек, у которого солнечное и лунное затмения вызывали бы страх. Что же такое солнечное затмение? Нам часто приходится наблюдать, как в ясный, солнечный день тень от облака, подгоняеммого ветром, пробегает по земле и достигает того места, где мы находимся. Облако скрывает от нас Солнце. Между тем другие места, находящиеся вне этой тени, остаются освещенными Солнцем.
Во время солнечного затмения между нами и Солнцем проходит Луна и скрывает его от нас. Рассмотрим подробнее условия, при которых может наступить затмение Солнца.
Наша планета Земля, вращаясь в течение суток вокруг своей оси одновременно движется вокруг Солнца и за год делает полный оборот. У Земли есть спутник — Луна. Луна движется вокруг Земли и полный оборот совершает за 29 1/2 суток.
Взаимное расположение этих трех небесных тел все время меняется. При своем движении вокруг Земли Луна в определенные периоды времени оказывается между Землей и Солнцем. Но Луна — темный, непрозрачный твердый шар. Оказавшись между Землей и Солнцем, она, словно громадная заслонка, закрывает собой Солнце. В это время та сторона Луны, которая обращена к Земле, оказывается темной, неосвещенной. Следовательно, солнечное затмение может произойти только во время новолуния. В полнолуние Луна проходит от Земли в стороне, противоположной Солнцу, и может попасть в тень, отбрасываемую земным шаром. Тогда мы будем наблюдать лунное затмение.
Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 149,5 млн. км, а среднее расстояние от Земли до Луны — 384 тыс. км.
Чем ближе предмет, тем большим он нам кажется. Луна по сравнению с Солнцем ближе к нам почти: в 400 раз, и в то же время ее диаметр меньше диаметра Солнца также приблизительно в 400 раз. Поэтому видимые размеры Луны и Солнца почти одинаковы. Луна, таким образом, может закрыть от нас Солнце.
Однако расстояния Солнца и Луны от Земли не остаются постоянными, а слегка изменяются. Происходит это потому, что путь Земли вокруг Солнца и путь Луны вокруг Земли — не окружности, а эллипсы. С изменением расстояний между этими телами изменяются и их видимые размеры.
Если в момент солнечного затмения Луна находится в наименьшем удалении от Земли, то лунный диск будет несколько больше солнечного. Луна целиком закроет собой Солнце, и затмение будет полным. Если же во время затмения Луна находится в наибольшем удалении от Земли, то она будет иметь несколько меньшие видимые размеры и закрыть Солнце целиком не сможет. Останется незакрытым светлый ободок Солнца, который во время затмения будет виден как яркое тоненькое кольцо вокруг черного диска Луны. Такое затмение называют кольцеобразным.
Казалось бы, солнечные затмения должны случаться ежемесячно, каждое новолуние. Однако этого не происходит. Если бы Земля и Луна двигались видной плоскости, то в каждое новолуние Луна действительно оказывалась бы точно на прямой линии, соединяющей Землю и Солнце, и происходило бы затмение. На самом деле Земля движется вокруг Солнца в одной плоскости, а Луна вокруг Земли — в другой. Эти плоскости не совпадают. Поэтому часто во время новолуний Луна приходит либо выше Солнца, либо ниже.
Видимый путь Луны на небе не совпадает с тем путем, по которому движется Солнце. Эти пути пересекаются в двух противоположных точках, которые называются узлами лунной о р б и т ы. Вблизи этих точек пути Солнца и Луны близко подходят друг к другу. И только в том случае, когда новолуние происходит вблизи узла, оно сопровождается затмением.
Затмение будет полным или кольцеобразным, если в новолуние Солнце и Луна будут находиться почти в узле. Если же Солнце в момент новолуния окажется на некотором расстоянии от узла, то центры лунного солнечного дисков не совпадут и Луна закроет Солнце лишь частично. Такое затмение называется частным.
Луна перемещается среди звезд с запада на восток. Поэтому закрытие Солнца Луной начинается с его западного, т. е. правого, края. Степень закрытия называется у астрономов фазой затмения.
Ежегодно бывает не менее двух солнечных затмений. Так было, например, в 1952 г.:
25 февраля — полное (наблюдалось в Африке, Иране, СССР) и 20 августа— кольцеобразное (наблюдалось в Южной Америке). А вот в 1935г. было пять солнечных затмений. Это наибольшее число затмении, которое может быть в течение одного года.
Трудно представить себе, что солнечные затмения происходят так часто: ведь каждому из нас наблюдать затмения приходится чрезвычайно редко. Объясняется это тем, что во время солнечного затмения тень от Луны падает не на всю Землю. Упавшая тень имеет форму почти круглого пятна, поперечник которого может достигать самое 6ольшое 270 км. Это пятно покроет лишь ничтожно малую долю земной поверхности. В данный момент только на этой части Земли и будет видно полное солнечное затмение.
Луна движется по своей орбите со скоростью около 1 км/сек, т. е. быстрее ружейной пули. Следовательно, ее тень с большой скоростью движется по земной поверхности и не может надолго закрыть какое-то одно место на земном шаре. Поэтому полное солнечное затмение никогда не может продолжаться более 8 минут.
В нынешнем столетпи наибольшая продолжительность затмении была в 1955 г. и будет в 1973 г. (не более 7 минут).
Таким образом, лунная тень, двигаясь по Земле, описывает узкую, но длинную полосу, на которой последовательно наблюдается полное солнечное затмение. Протяженность полосы полного солнечного затмения достигает нескольких тысяч километров. И все же площадь, покрываемая тенью, оказывается незначительной по сравнению со всей поверхностью Земли. Кроме того, в полосе полного затмения часто оказываются океаны, пустыни и малонаселенные районы Земли.
Вокруг пятна лунной тени располагается область полутени, здесь затмение бывает частным. Поперечник области полутени составляет около 6—7 тыс. км. Для наблюдателя, который будет находиться вблизи края этой области, лишь незначительная доля солнечного диска покроется Луной. Такои затмение может вообще пройти незамеченным.
Можно ли точно предсказать наступление затмения? Ученые еще в древности установили что через 6585 дней и 8 часов, что составляет 18 лет 11 дней 8 часов, затмения повторяются. Происходит это потому, что именно через такой промежуток времени расположение в пространстве Луны, Земли и Солнца повторяется. Этот промежуток был назван саросом, что знячит повтореиие.
В течение одного сароса в среднем бывает 43 солнечных затмения, из них 15 частных, 15 кольцеобразных и 13 полных. Прибавляя к к датам затмений, наблюдавшихся в течение одного сароса, 18 лет 11 дней и 8 часов, мы сможем предсказать наступление затмений и в будущем. Например, 25 февраля 1952 г. произошло солнечное затмение. Оно повторится 7 марта 1970 г., затем 18 марта 1988 г. и т. д.
Однако в саросе содержится не целое число дней, а 6585 дней и 8 часов. За эти 8 часов Земля повернется на треть оборота и будет обращена к Солнцу уже другой частью своей поверхности. Поэтому следующее затмение будитнаблюдаться в другим районе Земли. Так, полоса затмений 1952 г. прошла через Центральную Африку, Аравию, Иран, СССР. Затмение же 1970 г. будет наблюдаться как полное только жителями Мексики и Флориды.
В одном и том же месте Земли полное солнечное затмение наблюдается один раз в 250 — 300 лет.
Как видите, предсказать день затмения очень легко. Предсказание же точного времени его наступления и условий его видимости — труд-пая задача; чтобы решить ее, астрономы в течение нескольких столетий изучали движение Земли и Луны. В настоящее время затмения предсказывают очень точно. Ошибка в предсказании момента наступления затмения не превосходит 2—4 секунд.
Крупнейший, в мире специалист по теории затмений — директор Пулковской обсерватории, акад. А. А. Михаилов.
Точным вычислением можно восстановить время и условия видимости какого-нибудь затмения, наблюдавшегося в той или другой местности в древние времена. Если затмение это сопоставлено в летописи с каким-нибудь историческим событием, то мы можем точно определить дату этого события. Древнегреческий историк Геродот указывал, что во время битвы между лидийцами и мидянами произошло (неполное) солнечное затмение. Оно так поразило сражавшихся, что положило конец войне. Историки колебались относительно времени этого события, они относили его ко времени между 626 и 583 гг. до н. э.; астрономическое же вычисление точно показывает, что затмение, а следовательно, и битва происходили 28 мая 585 г. до н. э. Установление точной даты этой битвы пролило свет и на хронологию некоторых других исторических событий. Так астрономы оказали большую помощь историкам.
Астрономы вычислили условия видимости солнечных затмений на много лет вперед.
Последнее затмение, доступное для наблюдений в европейской части СССР, было 15 февраля 1961 г. Следующее эатмение будет наблюдаться здесь только в 2126 г. До этого, правда, будет 4 полных солнечных затмения, но полоса видимости их пройдет в пределах СССР лишь через трудоступные районы Сибири и Арктики.
К числу «необыкновенных» небесных явлений относятся также лунные затмения. Происходят они так. Полный светлый круг Луны начинает темнеть у своего левого края, на лунном диске появляется круглая бурая тень, она продвигается все дальше и дальше и примерно через час покрывает всю Луну. Луна меркнет и становится красно-бурого цвета.
Диаметр Земли больше диаметра Луны почти в 4 раза. А тень от Земли даже на расстоянии Луны от Земли более чем в 2 1/2 раза превосходит размеры Луны. Поэтому Луна может целиком погрузиться в земную тень. Полное лунние затмение гораздо продолжительнее солнечного: оно может длиться 1 час 40 минут.
По той же причине, по которой солнечные затмения бывают не каждое новолуние, лунные затмения происходят не каждое полнолуние. Наибольшее число лунных затмений в году — 3, но бывают годы совсем без затмений; таким был, например, 1951 год.
Лунные затмения повторяются через тот же промежуток времени, что и солнечные. В течение этого промежутка, в 18 лет 11 дней 8 часов (сарос), бывает 28 лунных затмений, из них 15 частных и 13 полных. Как видите, число лунных затмений в саросе значительно меньше солнечных, и все же лунные затмения можно наблюдать чаще солнечных. Это объясняется тем, что Луна, погружаясь в тень Земли, перестает быть видимой на всей не освещенной Солнцем половине Земли. Значит, каждое лунное затмение видно на значительно большей территории, чем любое солнечное.
Затмившаяся Луна не исчезает совершенно, как Солнце во время солнечного затмения, а бывает слабо видимой. Происходит это потому, что часть солнечных лучей приходит сквозь земную атмосферу, преломляется в ней, входит внутрь земной тени и попадает на Луну. Так как красные лучи спектра менее всего рассеиваются и ослабляются в атмосфере. Луна во время затмения приобретает медно-красный или бурый оттенок.
Эта проблема, связывающая солнечную активность с её воздействием на Землю, находится на стыке нескольких наук – астрономии, географии, биологии и медицины.
Некоторые части этой комплексной проблемы исследуют уже несколько десятилетий, например ионосферные проявления солнечной активности. Здесь удалось не только накопить множество фактов, но и обнаружить закономерности, имеющие определённое значение для осуществления бесперебойной радиосвязи.
Давно известно, что колебания магнитной стрелки во время магнитной бури особенно заметны в дневное время и имеют наибольшую амплитуду, иногда достигающую нескольких градусов, в период максимума солнечной активности.
Хорошо известно и то, что магнитные бури обычно сопровождаются свечением верхних разрежённых слоёв атмосферы (до нескольких сотен километров), которое вызвано действием протонов и электронов, проникающих в атмосферу из космоса. Это полярные сияния – одно из красивейших явлений природы. Необычайная игра красок, внезапная смена спокойного свечения стремительным перемещением дуг, полос и лучей, образующих то гигантские шары, то величественные занавесы, издавна привлекала к себе людей. В полярных сияниях преобладают два цвета – зелёный и красный. Окраска полярных сияний обусловлена изучением атомов кислорода (наиболее интенсивными в спектрах полярных сияний являются зелёная и красная линии).
Полярные сияния, как правило, наблюдаются в высоких широтах земного шара. Это объясняется тем, что заряженные частицы, двигаясь вдольлиний индукций магнитного поля Земли, именно в полярных облостях могут проникнуть в атмосферу. Но иногда в годы максимумов солнечной активности полярные сияния можно наблюдать и в средних широтах.
Существует связь между явлениями на Солнце и процессами в нижних слоях земной атмосферы – тропосферу, а следовательно, и на погоду через процессы в верхних слоях атмосферы Земли. Выяснения механизма этого сложного воздействия необходимо для метеорологии. Важное значение имеет исследование влияния солнечной активности на биосферу Земли, в частности на состояние здоровья людей.
Реакция превращения водорода в гелий ответственна за то, что внутри Солнца сейчас гораздо больше гелия, чем на его поверхности. Естественно, возникает вопрос: что же будет с Солнцем, когда весь водород в его ядре выгорит и превратится в гелий, и как скоро это произойдет!
Оказывается, примерно через 5 млрд. лет содержание водорода в ядре Солнца настолько уменьшится, что его «горение» начнется в слое вокруг ядра. Это приведет к «раздуванию» солнечной атмосферы, увеличению размеров Солнца, падению температуры на поверхности и повышению ее в ядре. Постепенно Солнце превратится в красный гигант – сравнительно холодную звезду огромного размера с атмосферой, превосходящей границы орбиты Земли. Жизнь Солнца на этом не закончится, и оно будет претерпевать еще много изменений, пока в конце концов не станет холодным и плотным газовым шаром, внутри которого уже не происходит никаких термоядерных реакций.
Чтобы всесторонне исследовать явления, происходящие на Солнце, проводятся систематические наблюдения Солнца (служба Солнца) на многочисленных обсерваториях всего мира. Одна из основных задач службы Солнца — предсказание (прогноз) солнечных вспышек. Прогнозы вспышек позволяют своевременно предотвращать нарушения радиосвязи, а также принимать меры, необходимые для обеспечения безопасности пребывания человека в космическом пространстве.
Изучение воздействия Солнца на Землю требует объединения усилий ученых многих стран. В историю науки, например, уже вошли «Международный геофизический год» — МГГ (1957—1958 гг.), проводившийся во время мощного максимума солнечной активности, и «Международный год спокойного Солнца» — МГСС (1964—1965 гг.), который был приурочен к минимуму солнечной активности. Комплексные исследования Солнца продолжаются и в настоящее время. Наблюдения, в которых принимают участие десятки стран, проводятся на всех континентах Земли. Данные о процессах, происходящих на Солнце и Земле, получают с помощью аппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли и космических ракетах, на горных вершинах и в глубинах океанов. Разрабатываются новые космические проекты, имеющие целью исследование Солнца.
1. Алексеева Л.А. Небесные сполохи и земные заботы. – М.: Мир, 1995 г.
2. Ващекин Н.П. Концепции современного естествознания. – М.: МГУК, 2000 г.
3. Гуреев Г.А. Земля и небо. – М.: Сашко, 1993 г.
4. Левитан Е.П. Учебник астрономии для 11-х классов. – М.: Просвещение, 1994 год.
5. Машкин Н. Ф. Квантовая физика М., 1986 г.
6. Мякишев Г. Я. Физика М., 1999 г.
7. Потеев М.И. Концепции современного естествознания, Санкт-Петербург, Питер, 1999 г.
8. Русин Н.П., Л.Л. Флит. Солнце на земле. – М.: Тригон, 1994 г.
9. Уилл Ф.Л. Семья Солнца – Сп-Б.: Художественная литература, 1995 г.
10. Черняк М. А. Кванты М., 1980 г.
11. Энциклопедия для детей. Астрономия. – М.: Аванта+, 1997 г.
12. Югай Г. А. Общая теория жизни, М., Мысль, 1985 г.
www.ronl.ru
I Повторение изученного.
II Актуализация
знаний.
III Новый материал.
IV Закрепление.
V Обобщение.
VI Домашнее задание.
— На прошлом уроке мы с вами познакомились с особенностями городов и сёл. Итак, чем же отличается город от села?
— А в каком населённом пункте мы с вами живём?
— А где бы вы больше хотели жить, в селе или в городе?
— Итак, в селе и в городе по-своему хорошо, поэтому одним людям нравится жить в городе, а другим — в селе.
— В городах и сёлах люди ходят на работу, в кино, театр. Иногда им нужно попасть, например, к родственникам в другой город, село, перевезти грузы. Как это сделать?
— А как одним словом назвать всё то, что вы перечислили?
— Верно, транспорт. И тема нашего сегодняшнего урока звучит: «Транспорт в жизни человека».
— В городах, сёлах люди ходят на работу, в школу, в магазины. С помощью какого транспорта люди попадают в разные места?
— А как вы думаете, как называется такой транспорт, который перевозит пассажиров?
— Часто приходится перевозить грузы. Как это можно сделать?
— Так как одним словом назвать транспорт, который помогает перевозить грузы?
— Итак, на какие две группы делится транспорт?
— Откройте рисунок на с. 16. Что за транспорт там изображён?
— К какой группе мы его отнесём? Почему?
— Подумайте, ребята, а как ещё можно назвать транспорт, который ездит на земле?
— Значит транспорт можно разделить ещё на группы в зависимости от того, где он ездит. Если транспорт ездит по земле, то он называется наземный. А какой ещё наземный транспорт вы знаете?
— Посмотрите, что за транспорт нарисован вверху на с. 17? Какой он, грузовой или пассажирский? Почему?
— Корабль бороздит водное пространство. Как вы думаете, к какой группе его ещё можно было бы отнести?
— Верно, мы вывели новую группу водного транспорта.
Далее аналогичная работа проводится с трамваем и пароходом, дети относят их к пассажирскому, наземному и водному транспорту.
— Откройте с. 18 вверху. Какой это транспорт, грузовой или пассажирский? Почему?
— Этот транспорт летает по воздуху. К какой ещё группе мы его отнесём?
Аналогичная беседа ведётся по метро. Дети выводят понятие «подземный транспорт».
— Итак, на какие же группы делится транспорт?
— Давайте проверим, правильно ли мы получили эти названия на с. 16 6-я строчка.
— А теперь я даю вам карточку с изображением транспорта, а вы её вешаете под той колонкой, к которой он относится.
— А теперь на с. 16 п.2 отвечаем на вопросы. Пользовался ли ты каким-либо транспортом? Каким? Чем он тебе понравился? В городе или селе пассажирский транспорт более разнообразен? Почему?
— Рассмотрите на с. 17 средний верхний рисунок. В правой нижней части рисунка стоит человек. Почему он не переходит улицу?
— Почему вы так решили? Для этого посмотрите на пешеходов другой перпендикулярной улицы. Что они делают?
— А теперь откройте тетради на с. 7 и прочитайте первое предложение задания и выполните его.
— А теперь проверим вторые две строчки. Какой транспорт вы вычеркнули в третьей строчке? Почему?
— Какой вычеркнули в четвёртой строчке?
— А теперь читаем второе предложение задания и выполняем его устно.
— Назовите вычеркнутый транспорт.
— Так в какую группу можно объединить этот транспорт? (Если дети делают ошибку, объединяя в наземный транспорт, то предлагаю доказать свою точку зрения. Так дети находят ошибку).
— Далее читаем задание и выполняем его.
— Так что же такое пассажирский транспорт?
— А что такое грузовой транспорт?
— Зачем пассажирский и грузовой транспорт нужны человеку?
— Понаблюдайте, какие удобства или неудобства создаёт транспорт для человека, как разные люди ведут себя в транспорте, и кому из них ты хотел бы подражать. С.19
— В городе больше жителей, много транспорта, в деревне же жителей меньше, транспорта меньше и он другой. В деревне больше деревянных домов.
— В городе.
— В селе, в городе.
— На машине, автобусе, трамвае, троллейбусе…
— Транспорт.
— При помощи машин, автобусов, троллейбусов, оленей, собак…
— Пассажирский.
— На грузовых машинах, КАМАЗах, газелях…
— Грузовой.
— Пассажирский и грузовой.
— Троллейбус.
— Это пассажирский транспорт, потому что он нужен для перевозки пассажиров.
— Наземный.
— Автобусы, трамваи, машины…
— Это корабль, он относится к пассажирскому транспорту, т. к. перевозит пассажиров.
— К водному транспорту.
— Пассажирский, потому что на посадку идут люди. А бывают и грузовые самолёты.
— Воздушный.
— На наземный, подземный, воздушный, водный.
Дети читают предложение и подтверждают правильность своей мысли.
Дети развешивают транспорт под той или иной группой.
Дети отвечают на вопросы и делают вывод о том, что в городе транспорт более разнообразен, т. к. он занимает большую площадь и в городе больше людей.
— Наверное горит красный свет.
— Они уже переходят улицу, потому что у них горит зелёный свет. А значит у первого пешехода горит красный свет, т. к. там едет машина.
Дети читают и выполняют первые две строчки с комментированием, а вторые две самостоятельно.
Дети читают.
— я вычеркнул трамвай, т. к. трамвай – это наземный транспорт.
— Я вычеркнула троллейбус, потому что троллейбус – это наземный транспорт.
Лодка, поезд, трамвай, троллейбус.
— Пассажирский, т. к. все эти средства перевозят людей.
Дети читают и после этого подчёркивают каждый транспорт, доказывая свою точку зрения. Например, подчёркиваю автобус волнистой линией, т. к. это и городской, и сельский транспорт.
— Это транспорт, который возит пассажиров, людей.
— Это транспорт, который возит грузы.
— Пассажирский нужен, чтобы попасть на работу, в другой город, страну, т. е. чтобы перевозить людей на расстояния. А грузовой транспорт нужен, чтобы перевозить грузы.
— Записывают в дневник д/з.
Учитель вывешивает на доску карточку со словом «транспорт».
Учитель вывешивает на доску карточку со словом «пассажирский».
Учитель вывешивает на доску карточку «грузовой».
Учитель вешает на доску карточку «наземный».
Учитель вывешивает на доску карточку «водный».
Учитель вывешивает на доску карточку со словом «воздушный».
На доске вывешивается соответствующая карточка.
www.ronl.ru
