Фотонная эра или эра излучения.
На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 10. К, а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со временем адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.
Для того, чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб. см., точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию hv всех фотонов, присутствующих в 1 куб. см., то мы получим плотность энергии излучения Er. Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб. см. является средней энергией вещества во Вселенной.
Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в 8 раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в 8 раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время, как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно "устают" со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Еr) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em). Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалась до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (то есть Er=Em). Кончается эра излучения и вместе с этим период "большого взрыва". Так выглядела вселенная в возрасте примерно 300000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.
|
|
|
"Большой взрыв" продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время "большого взрыва". Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путём аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путём распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).
|
|
|
После "большого взрыва" наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со временем завершения "большого взрыва" (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом "большого взрыва" её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры. Таким образом, эволюцию вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звёзды и вспоминаем красоту и блеск вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики – ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.
Рождение сверхгалактик и скоплений галактик
Во время эры излучения продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны или электроны и крайне редко - альфа-частицы. (Не надо забывать, что фотонов было в миллиард раз больше, чем протонов и электронов). В период эры излучения протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течение эры излучения гамма-фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что к каждому из протонов мог присоединиться один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона (или же несколько фотонов света) и, таким образом, возник атом водорода. Это была первая система частиц во вселенной.
|
|
|
С возникновением атомов водорода начинается звездная эра – эра частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.
Вселенная вступает в звёздную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы вселенной - сверхгалактики – являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.
|
|
|
Рождение галактик
Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверхгалактик и скоплений галактик – медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, то есть зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размерам не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звёзд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам гигантские завихрения.
Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли элиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.
В результате силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюснутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне неё. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.
Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась, и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начали выделяться и сжиматься сгустки водорода. Рождались протозвёзды, которые позже эволюционировали в звёзды. Рождение всех звёзд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжался относительно недолго, примерно сто миллионов лет. Это значит, что в эллиптических галактиках все звёзды приблизительно одинакового возраста, т.е. очень старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу же в начале, примерно в первую сотую существования галактики. На протяжении последующих 9999 сотых этого периода звёзды уже не могли возникать. Таким образом, в эллиптических галактиках количество межзвёздного вещества ничтожно.
Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят из очень старой сферической составляющей (в этом они похожи на эллиптические галактики) и из более молодой плоской составляющей, находящейся в спиральных рукавах. Между этими составляющими существует несколько переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактиках, таким образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме этого вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей сверхгалактики. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы.
Если бы из нашей галактики через сто миллионов лет после её возникновения (это время формирования сферической составляющей) улетучился весь межзвёздный водород, новые звёзды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала бы эллиптической.
Но межзвездный газ в те далёкие времена не улетучился. И таким образом гравитация и вращение могли продолжать строительство нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвёздного газа действовали две силы – гравитация, притягивающая его к центру галактики, и центробежная сила, выталкивающая его по направлению от оси вращения. В конечном итоге газ сжимался по направлению к галактической плоскости. В настоящее время межзвёздный газ сконцентрирован к галактической плоскости в весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и представляет собой плоскую или промежуточную составляющую, названную звёздным населением второго типа.
На каждом этапе сплющивания межзвёздного газа во все более утончающийся диск рождались звёзды. Поэтому в нашей галактике можно найти как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звёзды, родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звёзды, тем они моложе.
Вопрос об образовании и строении галактик - следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной - едином целом, но также и КОСМОГОНИЯ (греч. "гонейа" означает рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).
Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик миллиарды и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.
Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры - 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском "диске" толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.
Ближайшая к нашей галактике (которую световой луч достигает за 2 млн лет) - "туманность Андромеды". Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917г. был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 г. Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.
Мы знаем, что наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной - ВОДОРОДА.
Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым "кирпичиком", из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.
Наше Солнце как обычная звезда "производит" только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды "производят" углерод - главный "кирпичик" живого вещества. Земля производит все необходимые вещества для поддержания жизни человека. Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Естествознание учит мыслить космически, в то же время не отрываясь от реальности нашего бытия.
Принятие модели Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло и на модели образования небесных тел и привело Виктора Амбарцумяна к гипотезе о возникновении галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного дозвездного вещества (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц - гиперонов), находящегося в ядрах галактик, путем его фрагментации.
Открытие В. Амбарцумяном звездных ассоциаций очень молодых звезд, стремящихся друг от друга, было понято как подтверждение гипотезы образования звезд из первоначального сверхплотного вещества.
Какая из двух концепций ближе к истине, решит последующее развитие естествознания.
Модель расширяющейся Вселенной встретилась с несколькими трудностями доказательства, которые способствовали прогрессу астрономии. Сразу же после Большого Взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения в 1939 г. родилась гипотеза о наличии во Вселенной невидимых "черных дыр", которые хранят 9/10 массы Вселенной (то есть столько, сколько недостает).
Что представляют собой "черные дыры"? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому "черная дыра" ничего не выпускает наружу и не отражает, и стало быть ее невозможно обнаружить. В черной дыре пространство искривляется и время замедляется. Если сжатие продолжается дальше, тогда на каком-то этапе начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и "черная дыра" превращается в "белую дыру". Предположено, что "черные дыры" находятся в ядрах галактик, являясь сверхмощным источником энергии.
Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию - звезды, и не испускающие - планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности - нейтрино.
Звезды - это фабрики по производству химических элементов и источники света и жизни. Тем самым решаются сразу несколько задач. Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр - переменные звезды (Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн лет. Возможно, из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование туманностей (скоплений газов).
Существуют очень крупные звезды - красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км); они называются так потому, что состоят из огромного сгустка нейтронов.
В 1967 г. были открыты пульсары - космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов - 0,03- секунды, у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд.
К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Влияние солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия).
Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы, рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс.
В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в "белого карлика" - звезду, имеющую относительно высокую температуру поверхности (7-30 тыс. К) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца.
Предполагается, что одной из стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.
Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т.е. образуется "черная дыра", переходящая затем в "белую дыру".
Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках рождаются и умирают звёзды. Вселенная продолжает расширяться. Исследование вселенной основывается на открытых в земных условиях законах физики. Эти законы позволили создать современные методы исследования вселенной и объяснить подавляющее большинство известных в настоящее время космических явлений. Однако не исключено, что в процессе познания Вселенной будут открыты пока неизвестные нам новые явления, новые типы космических объектов, новые источники энергии, а может быть, и новые законы природы. Человек всё так же как и тысячи лет назад смотрит в небо, уже вооруженный радиотелескопами, а космические дали посещают межпланетные станции, которые несут человечеству все больше данных о вселенной.
Литература
1. Аронов, Р.А. О некоторых результатах постижения времени / Р. А. Аронов // Вопросы философии. - 1994. - № 5.
2. Аронов, Р.А. Существуют ли нефизические формы пространства и времени? / Р. А. Аронов, В.В. Терентьев // Вопросы философии. - 1988. - № 1.
3. Бранский, В.П. Философское значение "проблемы наглядности" в физике / В.П. Бранский. - Л., 1962.
4. Габричевский, А.Г. Пространство и время / А. Г. Габричевский // Вопросы философии. - 1994. - № 3.
5. Дубровский, В.Н. Классическая гравитационная концепция пространства-времени / В.Н. Дубровский // Философские науки. - 1990. - № 10.
6. Жуков, Н.И. Философские основания математики / Н.И. Жуков. - Минск, 1990.
7. Закономерности развития современной математики / отв. ред. А.И. Панов. -М., 1987.
8. Климинин, И.А. Открытие Вселенной / И. А. Климинин. – М., 1987.
9. Ключарев, Г.А. Идея симметрии / Г. А. Ключарев, Л.С. Кузнецова // Философские науки. - 1990. - № 4.
10. Купер, Л. Физика для всех. Т.1,2 / Л. Купер. - М., 1999.
11. Ландау, Л.А. Что такое теория относительности / Л.А. Ландай, Ю.Б. Брумер. - М., 1975.
12. Левитан, Е.П. Астрономия / Е.П. Левитан. - М., 1999.
13. Левитан, Е.П. Эволюционирующая Вселенная / Е.П. Левитан. - М., 1993.
14. Левич, А.П. Научное постижение времени / А.П. Левич // Вопросы философии. - 1993. - № 4.
15. Мостепаненко, А.М. Пространство и время в макро-, мега- и микромире / А.М. Мостепаненко. - М., 1974.
16. Новиков, И.Д. Как взорвалась Вселенная / И.Д. Новиков. - М., 1988.
17. Панченко, А.И. Философия, физика, микромир / А.И. Панченко. - М., 1988.
18. Полак, И.Ф. Как устроена Вселенная / И.Ф. Полак. - М.,1979.
19. Пригожин, И. Переоткрытие времени // Вопросы философии. - 1989. - № 8.
20. Психологическое время: словарь // Психология. - М., 1990.
21. Розенталь, И.Л. Элементарные частицы и структуры Вселенной / И.Л. Розенталь. - М., 1984.
22. Фейнман, Р. Характер физических законов / Р. Фейнман. - М., 1970.
23. Философские аспекты проблемы времени. - М., 1980.
24. Фридман, А.М. Мир как пространство и время / А.М. Фридман. - М., 1965.
25. Цофин, М.Я. Астрономия / М.Я. Цофин. - М., 1998.
26. Чудинов, Э.М. Теория относительности и философия / Э.М. Чудинов. - М., 1974.
27. Чудинов, Э.М. Теория познания и современная физика / Э.М. Чудинов. - М., 1974.
Тема 4. Концепция биологических уровней организации материи. организация живых систем и генетика
Введение
Вопрос 1. Биологическая концепция естествознания
Вопрос 2. Концепции возникновения жизни
Вещественная основа жизни
Земля в период возникновения жизни
Начало жизни на земле
Эволюция форм жизни
Вопрос 3. Отличие живого от неживого
Вопрос 4. Структурные уровни живого
Онтогенетический уровень ориентации живых систем
Молекулярно-генетический уровень биологических структур
Литература
Введение
Одним из наиболее трудных, и в то же время, интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что наука подходит к проблемам развития, создания в пределах своих возможностей, основанных на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.
Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность методологическая - в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода).
Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни. В чем сущность живого? Как и насколько механизмы эволюции действовали при зарождении жизни?
Современный этап развития естествознания характеризуется прогрессом биологических наук, способствующего дальнейшему раскрытию и выявлению закономерностей развития живой природы и более полному включению биологического знания и обобщенную научную картину мира. Для эффективного познания законов и принципов происхождения, существования и развития живых систем необходимо провести структуризацию живой природы как объекта исследования, очертить предмет изучения биологии.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 387; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!