Реферат: Концепции современного естествознания

Аристотель ифилософские основания античной космологии

Ко времени Аристотелядревние греки знали, что Земля – шар, и знание это, вероятно, восходит квременам Пифагора (7 в. до н.э.). Аристотель приводит два веских аргумента впользу шарообразности Земли.Во-первых, древние греки совершенноправильно определяли причины солнечного и лунного затмений. Лунное затмение –это покрытие Луны тенью Земли, когда Земля находится между Солнцем и Луной. Нотень Земли – круглая. Разумеется, греки понимали, что круглую тень может даватьне только шар, но и диск, усечённый конус, полусфера и ещё множествогеометрических фигур. Однако диск отбросит круглую тень, если Солнце будет стоятьперпендикулярно к его поверхности, иначе тень будет эллиптическая. А Солнце вГреции так стоять не может, только в тропиках.Во-вторых, чем дальшедвигаться на север, тем ниже будут стоять светила. При правильных наблюденияхможно не только доказать шарообразность Земли, но зная расстояние смещения ксеверу и изменение угла наклона светила, точно вычислить окружность и диаметрЗемли. Допустим, сместившись на тысячу единиц длины (миль, стадий, километров)к северу, мы замечаем, что Солнце стоит на 10° ниже. Предполагая, что Земля –шар, рассуждаем следующим образом – если длина дуги в 10° составляет 1000километров, полная окружность в 360° должна составлять 36 000 км. Если,смещаясь на разные углы, мы получаем одинаковые длины окружности, то Земля, безсомнения – шар.Аристотель, ориентируясь по Полярной звезде, выполнилэту операцию с большой ошибкой, но столетием спустя александриец Эратосфеночень точно вычислил окружность Земли.Земля – шар, находящийся внутридругих, полых прозрачных шаров, на поверхности которых находятся светила –небесных сфер. Сферы, несущие Солнце, Луну, звёзды и планеты, вращаются вокругнеподвижной Земли, перемещая светила. Такое представление о строении Космосавозникло лет за триста до Аристотеля, и постепенно усложняясь, просуществовалооколо 2 тысяч лет.Древние астрономы различали неподвижные звёзды ипланеты. Планэтэс по гречески означает «блуждающий». Некоторые звёзды медленноперемещаются относительно других звёзд – это и есть планеты: Меркурий, Венера,Марс, Юпитер и Сатурн. Однако движение планет по небосводу является болеесложным, чем движение Луны или Солнца, оно никогда не бывает круговым. Солнце инеподвижные звёзды тоже не имеют постоянной траектории вращения: Солнце,например, летом явно выше, чем зимой. Однако если солнечную сферу связать сдругой сферой, вращающейся в ином направлении и с иной скоростью, то можносравнительно точно рассчитать положение дневного светила для всех времён года.Итак, увеличиваем количество сфер – и получаем большую точность предсказаний.Астроном Эвдоксий, живший несколько раньше Аристотеля, оперировал уже 27сферами.Аристотель попытался объяснить устройство Вселенной. Онопределил отличие точных и естественных наук приблизительно так же, как и мысейчас, и поставил задачей вывести движение физических тел «из самих себя».Движение тела может быть естественным и неестественным. Естественное движение –это движение тела к его естественному месту. Вода течёт вниз, потому что там,внизу – её естественное место. Дым поднимается наверх, потому что там егоестественное место. А чем определяется «естественное место» тела? Его«сущностью», которое существенно зависит от состава тела. На Земле все теласостоят из четырёх элементов – земли, воды, воздуха и огня, но каждое веществов отдельности образовано своим соотношением этих элементов. В Космосепреобладает эфир – пятый элемент, наиболее лёгкий из всех. Из чистого эфирасостоит самая внешняя сфера – сфера неподвижных звёзд. Другие сферы содержатпримесь иных элементов, которые и задают их «естественное место».Итогда всё становится понятным – Земля состоит из земли, поэтому находится вцентре Вселенной. Вода растекается поверх Земли, воздух – поверх воды, а вышевсех – эфирные сферы (не так уж важно, сколько). Естественное движение небесныхэфирных тел – круговое. Самая внутренняя сфера – сфера Луны, которая из-заблизости Земли неизбежно содержит наибольшее количество утяжеляющих её примесейтяжёлых элементов.

Гелиоцентрическаякартина мира и её доказательства

Отцом новой космологиистал Николай Коперник, знаменитый астроном и католический священник, изложившийосновы гелиоцентрической системы в книге «О вращении небесных сфер». Оченьосторожное изложение материала в книге Коперника. Новая гипотеза подавалась какодна из альтернатив. Аристарх Самосский утверждал, что Солнце находится вцентре мироздания, а Земля вращается вокруг него.Научная теория должнана основании минимального числа допущений объяснять наибольшее количествофактов. Далее мы увидим, что новые теории побеждают старые, сокращая количестводопущений и увеличивая количество объяснённых феноменов. Первая такая редукциядопущений осуществлена Коперником, причём в очень явном виде. Количество сфер всистеме Птолемея достигало 55, плюс допущения о существовании эквантов,эксцентриков, эпициклов. От почти всего этого можно отказаться, признав Землюодной из планет, вращающихся вокруг Солнца! Сложные петлеобразные траекториидвижения планет «внешнего круга» – Марса, Юпитера, Сатурна – становятся простокруговыми. Более того, новая гипотеза шла дальше объяснения фактов, выводимыхиз геоцентрической модели – Коперник рассчитал относительные радиусы орбит всехпланет, что на основании прежних представлений вычислить было невозможно.Однимиз самых ярких сторонников теории Коперника был Джордано Бруно. Это был неастроном, а философ, священник эпохи Реформации, горячий сторонник Лютера иборец со схоластикой. Он утверждал, что Вселенная бесконечна, наше Солнце – этоодна из многих звёзд, вокруг которых тоже вращаются обитаемые планеты.Первымкрупным астрономом, который попытался проверить правильность теории Коперника,был датчанин Тихо Браге. Благодаря заслугам отца Браге, датский король выделилогромную сумму денег, которую Тихо потратил на строительство лучшей в миреобсерватории Ураниборг. Четырнадцать лет подряд Браге со своими учениками вёлежесуточные наблюдения за звёздным небом. При новом датском короле Брагевынужден был бежать в Прагу, где и умер. Его архив оказался в руках секретаря ипомощника Браге – Иоганна Кеплера, открытия которого окончательно утвердилигелиоцентрическую картину мира.Браге совершил самые точные наблюденияза звёздным небом, которые были сделаны невооружённым глазом и умер за 8 лет доизобретения Галилеем телескопа.Галилея смело можно назвать отцомэкспериментальной физики. Он же сыграл огромную роль в зарождении новойфилософии естествознания. Галилей открыл математический закон, описывающийпадение тел и то, что впоследствии стало называться первым законом Ньютона. Спомощью телескопа Галилей находит на Луне моря и горы. Но моря состоят из воды,а горы – из земли, следовательно, их естественное место и естественное местоЛуны в целом должно быть внизу, на Земле. Он наводит на Солнце свой телескоп иобнаруживает на нём пятна, которые смещаются к правому краю диска и через 27дней появляются слева в том же порядке – следовательно, солнечный шар вращаетсявокруг своей оси! Он открывает 4 спутника Юпитера, движение которых невписывается в систему небесных сфер. И, наконец, он обнаруживает фазы Венеры,наличие которых предсказано Коперником. Последнее наблюдение является прямымподтверждением гелиоцентрической теории – Венера не светящийся диск, а шар,подобно Луне, освещаемый Солнцем.Иоганн Кеплер почти не проводилсамостоятельных наблюдений над звёздами – у него было слабое зрение. Однакоудивительный математический талант позволил ему завершить гелиоцентрическуюкартину мира, пользуясь таблицами Тихо Браге. Кеплер верил, что в основемироздания лежит простой математический закон. Семь лет он считал орбиту Марса,получил фигуру, отличную от окружности и вынужден был признать её как данность.Космос управлялся тремя законами Кеплера, о существовании которых раньше никтоне догадывался.Первый законКеплера: планеты движутся не по круговым, а по эллиптическиморбитам. В фокусе эллипса находится Солнце.Второй законКеплера: планеты движутся с непостоянной скоростью. Постояннаплощадь, которую заметает за единицу времени радиус-вектор, опущенный отСолнца.Третий закон Кеплера: кубы длинных радиусоворбит относятся к квадратам времени обращения планет как постоянные величины.Благодаря его законам, расчет движения светил стал абсолютно точным,«астрономически точным» и использование телескопов доказывало отсутствие ошибокв его вычислениях.Абсолютный закон, управляющий движением небесных тел,который искал Кеплер, был установлен Ньютоном – закон всемирного тяготения.Приняв его, можно вывести все три закона Кеплера. Это – хороший пример редукциидопущений при расширении сферы действия теории на всю Вселенную. При этом проявляетсязакономерность, названная впоследствии «принципом соответствия» — новая теорияне опровергает предшествующую, та просто становится частной отраслью новойтеории. Следует отметить, что принцип соответствия начинает работать только всредневековой науке – птолемеева космология не является частным случаемкосмологии Коперника. Причиной тому является отсутствие в современной наукеаргументов ad hoc. Она основана на проверяемых допущениях.Законвсемирного тяготения был открыт Ньютоном для объяснения законов Кеплера. Такимобразом, законы Кеплера выводятся из закона всемирного тяготения, а истинностьзакона тяготения подтверждается законами Кеплера. Элемент тавтологии очевиден ижелательна внешняя, прямая проверка закона тяготения. Она была выполнена Кавендишемчерез много лет после смерти Ньютона.Ввод закона всемирного тяготенияповлёк за собой пересмотр всей картины Космоса. Поскольку жёстких сфер нет,звёзды могут располагаться без всякой связи друг с другом. Ньютон вынужден былпризнать бесконечность Вселенной в пространстве – в ограниченной Вселенной всетяготеющие массы должны упасть в общий центр. Однако звёзды находятся на тех жеместах, где их наблюдали древние греки. Только в бесконечной Вселеннойтяготение масс с одной стороны будет уравновешено тяготением со стороныпротивоположной. Впоследствии в так называемой «механистической» картине мирабесконечность Вселенной в пространстве была дополнена бесконечностью вовремени.Закон всемирного тяготения не имел никакого физическогообъяснения. Тяготение есть сила, действующая на расстоянии, передающаяся черезпустоту, причём мгновенно.

Волновая иэлектромагнитная теории света, понятие об эфире

Максвелл считал, чтоодной из частных разновидностей электромагнитных волн являются световые волны./>Скорость света была измерена достаточно точно французомФизо в 1848 г. Она оказалась очень большой – около 300 000 км/сек, ноконечной. Следовательно, сила, действующая на расстоянии, распространяется сконечной скоростью, не мгновенно.Физики ревностно относятся к скоростисвета. Дело не в видимом свете как частном феномене, дело в скорости действияполя. Свет – проявление действия электромагнитного поля. Что будет, еслинекоторый заряд будет двигаться со скоростью, превышающей скорость света? Этотвопрос можно поставить так: что будет, если тело, определяющее характеристикипространства, выскочит за пределы пространства, характеристики которого оноопределяет? Допустим, два одноименных электрических заряда несутся навстречудруг другу со скоростями, превышающими скорость света. Они должны встретиться внекоторой точке, где силы отталкивания должны быть большими. Допустим, нашитела – две струи разреженного ионизированного газа. Они пройдут друг сквозьдруга, не провзаимодействовав, поскольку поле за ними не угонится. А когда поледоковыляет до точки встречи струй, что оно будет отталкивать? Как можноопределить из данного предположения, силы, действующие на заряды, как-тозависят от скорости движения зарядов.Если свет – разновидностьэлектромагнитных колебаний…На природу света существовали две точки зрения.Одна, восходящая к Аристотелю и продолженная Ньютоном, толковала свет как потокмелких частиц. Современник Ньютона Гюйгенс разработал волновую теорию света.Она объясняла все известные к тому времени явления и позволила создатьсовершенные оптические приборы, которые мало изменились со второй половиныXVIII. Классическими волновыми явлениями, с которыми знакомят школьников,являются дифракция и интерференция света. Интерференция – это наложение вданной точке двух световых волн, которые, будучи в противофазе, взаимнопогашают друг друга, а при совпадении по фазе – усиливают.

Дифракция света – феномен«огибания» препятствия волновым фронтом. Давно известна также длинасветовой волны для каждого чистого цвета спектра.Однако, если свет –это волновые колебания, то что же колеблется? Со вздохом приходится признать –эфир, старый добрый Аристотелев эфир. Свет – тот же звук, только в эфире.Странное это вещество – с одной стороны, оно твёрдое, поскольку колебания его –поперечные (колебания в жидкости и газе – продольные), с другой стороны,абсолютно лишенное упругости (хоры стройные светил движутся в нём без всякогосопротивления). Он вездесущ. Помните «торричеллиеву пустоту» — вакуум XVIIвека? В длинную стеклянную запаянную с одного конца трубку наливаем ртуть,переворачиваем слепым концом вверх – ртутный столб держится на атмосферномдавлении, а над ним – пустота. Но эфир там есть – ведь свет через эту пустотупроходит. Как он там оказался? А главное – никто не может его получить. НашМенделеев сколько времени убил в попытках выделить эфир – и всё напрасно.

Казалось бы, что Максвеллмог бы обойтись без эфира, но и он считал, что электромагнитные волныраспространяются именно в эфире. По разным причинам физики видели пространствочем-то заполненным, пустое «чистое пространство», пространство без материинепредставимо.Эфир для физиковXIX в. — абсолютнонеподвижнаясреда.

Опыты Майкельсона и ихзначение

Суть их в следующем.Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек. Луч света, пущенныйс Земли по ходу её движения, должен двигаться на 30 км/ч быстрее, чем пущенныйперпендикулярно орбитальной скорости, а свет, пущенный «назад» — на 30 км/часмедленнее. Прибор, построенный Майкельсоном, был достаточно чувствительным,чтобы уловить разницу в скоростях света такого порядка, однако он незарегистрировал её. Другие физики, заинтригованные парадоксальным результатомМайкельсона, тоже не могли её зафиксировать.В 1904 г. Х. Лоренц,знаменитый специалист в области теории электричества, нобелевский лауреат 1902г. по физике, опираясь на гипотезу Фицджеральда, предположил, что тела, движущиесячерез эфир, сокращаются в длине и время их движения сокращается. Вконце концов, что такое скорость? Путь, деленный на время. Если мы немногопоманипулируем с путём и временем, то получим подгонку результатов опытовМайкельсона-Морли под нечто объяснимое: где x’ – длина тела,движущегося со скоростью v, x – длина этого тела впокое, t’ – время для тела, движущегося со

скоростью v,t – время процессов в покое, с – скоростьсвета.Очевидно, что перед нами допущения ad hoc.

Физические ифилософские основы специальной теории относительности

Теории относительности воснове своей очень проста, потому что базируется всего на двух допущениях./>Допущения:1. Всеинерциальные системы отсчёта равны между собой. Инерциальныесистемы отсчёта – это тела, движущиеся с постоянной скоростью. Всю выделеннуюфразу следует понимать так: для всех физических тел, движущихся с постояннойскоростью, физические законы одинаковы.2. Скорость света постоянна, независит от скорости источника и приёмника света. Никакое тело не можетдвигаться со скоростью, превышающей скорость света. Собственноговоря, все физические законы будут одинаковы для инерциальных объектов, толькоесли мы примем допущение о равенстве скорости света для всех./>Следствия:Теперь пропустим оба допущения через математическую мясорубку и получим врезультате преобразования Лоренца. Поверим, что математики всё сделалиправильно, и они доказали не только справедливость, но и единственностьполученных решений. Тогда получается, что уравнения Лоренца не есть допущения adhoc, но следствие из очень широких обобщений.В этом случае прималых, земных скоростях v сокращение длин и времени будет такмало, что точность измерительных приборов не позволит его обнаружить. Сработаетпринцип соответствия: в механике Ньютона ничего менять не надо, это частныйслучай механики Эйнштейна – механика для малых скоростей.

Для случаев большихскоростей возникает вопрос: как быть с кинетической энергией тела, Е = ½mv2,точнее, Е = ½m(v1–v2)2? Поскольку пространство и время приувеличении скорости сокращаются, работа со скоростями, очевидно, требуетбольших ухищрений, чем в механике Ньютона. Из согласования этих вопросов сдопущениями о равенстве физических законов на телах, движущихся с разнымискоростями, получаем где m’ – масса тела, движущегося соскоростью v, m — его масса в покое. Причём длярасчёта кинетической энергии получаем, что энергия тела, находящегося в покое –E ≈ mc2. Относительно чего движется тело соскоростью v?– относительно наблюдателя. Здесь главное — почувствовать симметричностьпреобразований Лоренца. Допустим, некоторый наблюдатель движется относительноВас с большой скоростью и для него пара, на которой Вы сидите, кажетсятянущейся целый год. Но пара, на которой сидит он, тоже будет тянуться для Васцелый год. Допустим, Вы послали лектора (ногами назад) со скоростью, близкой кскорости света, и для Вас он укоротился до 1 метра. Но и Вы окажетесь в егосистеме координат укоротившимися тем же образом.То есть, одно и то же тело дляразных наблюдателей будет иметь разные размеры и участвовать в процессах разнойпродолжительности. Но если всех этих наблюдателей свести за одним столом, то ихлинейки и их часы покажут одинаковые значения.Парадоксальные на первый взглядследствия из теории относительности не являются парадоксами в истинном смыслеэтого слова, то есть не находятся в противоречии с логикой. Одним из следствийтеории относительности является неодновременность событий, оцененных в разныхсистемах отсчёта. Но эта неодновременность не является нарушением причинныхсвязей.

Последовательностьсобытий в любой системе отсчёта остаётся одной и той же.Комментарий.Теория, основыкоторой заложены Эйнштейном в 1905 г., получила название частной илиспециальной теории относительности, поскольку рассматривала физику тел,движущихся только с постоянной скоростью. Эта удивительная теория, так же как ипоследовавшая за ней общая теория относительности на первый взгляддействительно кажется целиком выведенной «из головы». Она могла появиться и безопытов Майкельсона-Морли. Эта теория является чисто редукционной, так же как игелиоцентрическая теория Коперника, возникает как следствие снятия логическихпротиворечий старой теории путём удаления из неё ненаблюдаемых сущностей –абсолютного пространства и времени, связанных с эфиром, как более ёмкаяпереупаковка уже накопленных физикой данных./>

Но при всех логическихдостоинствах частная теория относительности нуждалась в экспериментальнойпроверке. Пока она не технически не осуществима на макрообъектах, ноэлементарные частицы могут быть разогнаны на ускорителях до скоростей свыше0,9999 от скорости света. Эти эксперименты показывают полное согласие теории спрактикой – здесь наблюдается замедление времени, сокращение размеров иувеличение массы частиц согласно преобразованиям Лоренца.

Общая теорияотносительности и её экспериментальные доказательства

Общая теорияотносительности раскрывает природу закона всемирного тяготения./>Допущение: Основноедопущение ОТО очень простое и называется принципом эквивалентности. Накухонном языке оно звучит приблизительно так: если мы не можем отличить силу,возникающую в результате ускорения (например, центробежного) от силы,порождённой гравитационным полем – то это одно и то же. В более формализованномвиде принцип эквивалентности выглядит так: гравитационная масса эквивалентнаинерционной массе. Что известно о массе? Это понятие входит в двауравнения Ньютона: F = am и F = G·m1m2/r2, — второй закон механики и законвсемирного тяготения. Однако почему мы решили, что масса, входящая в первоеуравнение и масса, входящая во второе – это одно и то же? Ведь они ничем несвязаны между собой. Будем называть массу первого уравнения инерционной (mi), а извторого — гравитационной (mg). Давайте считать, что это одно и тоже и посмотрим, что получится.Пропустив математические выкладки получимследующее./>

Следствие: Наша Вселенная четырёхмерна («четырёхмерныйпространственно-временной континуум»). Любаямасса искривляет пространство-время, и наоборот, степень искривленияпространства-времени материальным объектом определяет его массу.Трёхмерное тело, движущееся в искривленном четырёхмерном пространстве,испытывает угловое ускорение, которое наблюдатель воспринимает как тяготение.В любой популярной книжке по ОТО приводится одна и та же аналогия.Представим себе двумерного человечка, живущего на бесконечно тонкой плёнке. Онво всём не хуже нас, трёхмерных и у них на плёнке все такие. Представим, чтоэтот человечек спешит из точки А в точку В. А теперьпродавим эту плёнку пальцем. Человечек в недоумении: он много раз ходил этиммаршрутом и проходил его за время, значительно более короткое, чем сейчас. Обудлинении маршрута он не подозревает: добавочная длина возникает в третьемизмерении, опытных знаний о котором он не имеет. Он видит, что измениласьскорость его движения, а там, где есть изменение скорости, там есть ускорение,а там, где ускорение – сила. Эту силу, тормозящую его движение к точке В,он воспринимает как тяготение.Также и мы, трёхмерные, движемся поповерхности огромного четырёхмерного пузыря, испещрённого многочисленнымивыбоинами и колдобинами – посторонними массами.Это довольно грубаяаналогия, но, по крайней мере, она наглядна. Мы и дальше ей будем пользоваться,но добавим физичности.

Во-первых, никакогодополнительного скрытого пространства нет. Физическое тело,перемещаясь в пространстве, перемещается также и во времени, в трёхпространственных измерениях плюс одном временном. Мирный обыватель очень чёткопонимает различия между пространством и временем. Однако с появлением теорииотносительности физик-теоретик получает волшебную палочку – фундаментальнуюпостоянную с,скорость света. Теперь, с помощью этой мировой постоянной можно время выразитьчерез пространственные единицы, например, секунду можно задать как 300 000км, делённые на с– скорость света, или, сходным образом, пространство через время. Нашпространственно-временной континуум – это три симметричные, сходные,различаемые только по произволу наблюдателя пространственные координаты плюсодна, (временная) особенная. Но если каждую из четырёх переменных на что-тоумножить и одинаково преобразовать, то можно получить четыре совершеннонеразличимые оси, каждая из которых будет в равной степени и временной ипространственной. Этот фокус называется преобразованиями Минковского. Итак, спомощью математических преобразований и палочки-выручалочки св теоретической физике можно перейти от несимметричных привычных нампространственно-временных координат к симметричным координатам Минковского иобратно. Нового, добавочного четвёртого измерения нет, есть новая формапредставления известных уже понятий. Правда, время отличается от пространстваещё одним качеством: во времени стоять нельзя. В новыхпространственно-временных координатах неподвижных объектов нет.Но есличетырёхмерное пространство-время – это то, в чём мы существуем, и ничегонового, скрытого, добавочного нет, почему мы не видим его искривления массой?Потому, что оно исключительно мало. Допустим, с обрыва падает камень. Засекунду он пролетит 4,9 м. Если мы выразим секунду в единицах длины (зачем –для того, чтобы отразить путь и время в некотором едином масштабе), то этосоставит 300 000 км пути света, т.е. при движении по одной оси на 300 000 кмсмещение по другой составит 4.9 м. При преобразовании координат в пространствеМинковского различия не сгладятся. И в этом пространстве-времени приходитсявсегда двигаться, а поскольку оно более или менее искривлено — чувствоватьперегрузки на виражах.Трёхмерное геометрическое пространство, вкотором, по обычному представлению мы существуем, описывается геометриейЭвклида. Эвклидова геометрия – частный случай геометрии Римана. Есть другиегеометрии и у физиков возникает вопрос – какова истинная геометрия нашего мира?Так же как при обычных, привычных для нашего восприятия скоростях сокращениядлин и времени неуловимо малы и неотличимы от постоянных величин механикиНьютона, так же для малых масс отличия геометрии нашего обывательского мира отпрямолинейной геометрии Эвклида исчезающее малы.

Однако допущение, что мыживём именно в эвклидово пространстве – слишком сильное допущение и Эйнштейн отнего отказывается, допуская существование «менее правильного» мира./>Проверка:Ещё в первой редакции ОТО (1915 г.) Эйнштейн предложил двакритерия проверки своей гипотезы: смещение орбиты Меркурия и искривлениесветовых лучей в поле тяготения Солнца. Меркурий, ближайшая к Солнцу планета),находясь в нижней точке своей орбиты (перигее), оказывается в зоне наиболееискривлённого тяготением Солнца пространства-времени. Для земного наблюдателявремя на нём замедляется. Это приводит к тому, что следующий виток орбитыпроисходит с небольшим поворотом длинного радиуса эллипса. За столетие этосмещение становится величиной, которую можно зарегистрировать. Этот феномен былизвестен и до Эйнштейна – его открыл Леверье в середине XIX в. Расчёты поформулам ОТО совпали с наблюдаемыми данными. Эйнштейн предсказывал, что вовремя полного затмения Солнца звёзды, находящиеся вблизи солнечной короны,должны показаться сместившимися относительно своих исходных координат. Не то,чтобы во время затмения тяготение иное – без него звёзд не видно. Луч света отзвезды, проходя вблизи массивного Солнца, движется в искривлённом импространстве и это отклонение луча будет приводить к «смещению» звёзд.

НестационарнаяВселенная Фридмана

Вселенная Эйнштейна былазамкнутой гиперсферой – безграничной, но конечной. Безграничной в том смысле,что путешествующий в ней луч света никогда не упрётся в препятствие, ноконечной, имеющей определённый размер.Но в такой Вселенной возникаетобщее тяготение, стремящееся собрать все массы в единую точку – проблема,которую осознал ещё Ньютон. Чтобы все массы не упали в общую кучу, Эйнштейнввёл космологическую постоянную, космологический член Λ (лямбда большое). Кардинальные изменения в неё внёсАлександр Фридман – советский метеоролог. Этот странный любитель работал вобласти космологии в 1922-1924 гг. Он указал Эйнштейну на то, что его Λ-член– совершенно лишняя конструкция. Эйнштейн вынужден был признать свою ошибку — Λ-членбыл типичной логической конструкцией ad hoc. Если Вселенной угоднопадать внутрь самой себя – пусть падает. Так появилась концепция нестационарной Вселенной.Фридманрассмотрел несколько моделей нестационарной Вселенной. Модель пульсирующейВселенной предполагает, что Вселенная равномерно расширяется под воздействиемкакого-то внутреннего импульса, но силы тяготения постоянно тормозят эторасширение и, в конце концов, Вселенная станет сжиматься до приобретения новогоимпульса. Так камень, брошенный вверх, движется, постоянно теряя скорость, иначинает падать вниз.Другая модель предполагает, что несмотря напостоянное торможение гравитацией, Вселенная будет расширяться вечно. Таккамень, брошенный со скоростью, превышающей вторую космическую, будет вечнотерять скорость под влиянием тяготения Земли, но будет и вечно от неёудаляться.Фридман скончался от воспаления лёгких в возрасте 37 лет в1925 г., за три года до того, как американец Эдвин Хаббл обнаружил, чтоВселенная расширяется — звёзды удаляются от нас тем быстрее, чем дальше онинаходятся, по закону Хаббла – V = HR, где R– расстояние до звезды, Vскорость удаления звезды, H– постоянная Хаббла.

Эффект Доплера,красное смещение и доказательства расширения Вселенной

Как можно измеритьрасстояние до звезды и скорость её удаления? Хаббл нашёл особый класс звёзд – цефеиды.Это огромные пульсирующие звёзды, такие большие, что их можно различать даже вближайших галактиках (доказательство факта наличия других галактик такжепринадлежит Хабблу). Все цефеиды светят приблизительно одинаково – как пояркости, так и по спектру излучения. Зная это, можно определить расстояние доцефеиды – чем она тусклее, тем дальше (интенсивность света падаетпропорционально квадрату расстояния до источника). Чем быстрее удаляетсязвезда, тем более длинными кажутся наблюдателю электромагнитные волны, которыеона излучает. Этот феномен известен также как эффект Доплера, которыйсправедлив и для звуковых волн – визг нападающего должен быть выше, чем рёвубегающего.Самые длинные световые волны, которые различает глазчеловека – красные, следовательно, чем быстрее улетает звезда, тем её светстановится краснее. Итак, по интенсивности блеска цефеид определяем расстояниедо звезды, по красному смещению — её скорость и, оценив разлёт многих звёзд,сможем проследить общую закономерность расширения Вселенной.УравнениеХаббла преподносит нам удивительный гносеологический сюрприз. Дело в том, чтоскорость разлёта звёзд не может превышать скорости света – а, следовательно,ограничено и расстояние до звёзд – если V=c,то R=c/H.Последнее выражение определяет так называемый ”горизонт видимости”.Сюрприз заключается в том, что познать можно только участок Вселенной,ограниченный ”горизонтом видимости”. Сама Вселенная или Метагалактика,значительно больше. Есть участки Вселенной, о которых мы никогда ничего неузнаем – световой или любой другой сигнал никогда уже не придёт оттуда,скорость разлёта участков Метагалактики не позволит ему догнать Землю.Есть нечто, о чем невозможно знать ничего, кроме того, чтооно существует.

В связи с расширениемВселенной возникает вопрос: по какой модели она расширяется, каково будущееВселенной? Полного ответа пока нет – необходимо сосчитать всю массу воВселенной, чтобы численно определить тормозящие силы тяготения. Но большинствоисследователей склоняются к мысли о том, что Вселенная будет расширяться вечно.Легче говорить о прошлом. Если мы знаем текущий объём Вселенной изакономерность её расширения, легко просчитать этот процесс назад. Тогдаполучится, что переместившись на 13 млрд. лет в прошлоё, обнаружим Вселенную,сжавшуюся в точку.Итак, 13 млрд. лет назад произошёл Большой Взрыв иВселенная началась.Представить себе наблюдателя, находящегося внеВселенной и рассматривающего её возникновение – невозможно. До Большого Взрыване было ни пространства, ни времени, следовательно, не могло быть времени и доВзрыва.Отчего ничего взорвалось? По-правде говоря, и на этот вопрос нетудовлетворительного ответа. Физики говорят о некоей сингулярной точке, вкоторой находилась Вселенная в начальный момент её истории, и процессы еёзарождения называют сингулярными процессами. Такое красивое слово, каксингулярность (лат. singularis — отдельный, одиночный, единственный всвоем роде, исключительный) завораживает дилетантов, но говорить пока можно одоказательствах факта самого Большого Взрыва и о непроверяемых гипотезах о егопричинах. Ясно одно – в начале времён Вселенная была настолько малой, чтополностью управлялась квантовыми законами.

Концепциябольшого взрыва

Представлениео развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении)Вселенной и ее конце. В настоящее время существует несколько космологическихмоделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, ноони не объясняют причины и процесс рождения самой Вселенной. Только теорияБольшого взрыва Гамова смогла к настоящему времени объяснить почти все факты,связанные с этой проблемой. Основные черты этой модели сохранились до сих пор,хотя она была позже дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейсяВселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, идополненной советским физиком А. Д. Линде.В 1948 г. Гамов выдвинулпредположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва,происшедшего примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергияВселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если веритьматематическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равеннулю, а ее плотность — бесконечности. Это начальное состояние называетсясингулярностью. Но по принципу неопределенности В. Гейзенберга веществоневозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальномсостоянии имела определенную плотность и размеры.В соответствии с наиболеераспространенным представлением возраст Вселенной составляет 15 млрд лет.Всоответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширенияхарактеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокойтемпературой. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, чтоВселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большойплотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселеннойтемпература падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой додовольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных дляобразования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температурапревышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и,следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей изионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизиласьприблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Такимобразом, атомы – это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после БольшогоВзрыва.

Атомизм в химии XIXв.

Атомная теория впервыевозникает в Древней Греции. Её прародителями являются Левкипп и Демокрит. Донас не дошло ни строчки их трудов, известны только комментарии их учения. Поэтим комментариям мы знаем основной тезис первых атомистов – «нет ничего, кромеатомов и пустого пространства». «Атом» в целом – «недробимый», нечто,неподверженное дальнейшему делению.Древнегреческий атомизм напротяжении двух тысячелетий существовал без существенных изменений. Это учениене являлось каноническим, церковью не поддерживалось и не отрицалось. Новоекачество и новую аргументацию атомистическое учение приобретает в XIX в.Атомизмразвивали химики, а у физиков отношение к атомам было скептическим. Особенноэнергично отрицали атомную структуру вещества эмпириокритики во главе с Э.Махом. Нельзя сказать, что физики были едины – в XIX в. развиваласьмолекулярная теория газов и создавали её такие замечательные теоретики, какМаксвелл, Гиббс, Больцман.Химия как наука возникает во второй половинеXVIII в. в первую очередь благодаря трудам А. Лавуазье. Основной теоретическийбазис, который отделил химию от алхимии – признание неизменяемости,«непревращаемости» химических элементов. Лавуазье обосновал существование 33элементов (в их числе свет и теплород), которые, вступая в соединение друг сдругом, образуют всё разнообразие природных веществ. Дальнейшее развитие химиив этом направлении шло по пути уточнения списка элементов, но без измененияконцептуальной базы.В 1799 г. Пруст постулирует «Закон постоянствасостава веществ» или «закон Пруста». Если в борщ положить немножко больше илинемножко меньше свёклы, он останется борщом. По аналогии с этим можно ожидать,что если при образовании воды ввести больше или меньше водорода, получится вода(может быть, чуть гуще или жиже). Новорожденная химия того времени дебатировалаподобные вопросы.

Но «закон Пруста»утверждает, что вода всегда одинакова и избыток водорода просто не превратитсяв воду.Следующим шагом, приведшим к атомному учению, был «закон кратныхотношений» Дальтона (это уже самое начало XIX в.). В углекислом газе на весовуюединицу углерода ровно в 2 раза больше кислорода, чем в угарном газе.Сейчас мы запишем их формулы как СО2 и СО, что означает, что с одниматомом углерода связаны, соответственно, два и один атома кислорода. Дальтонтак и объяснил, почему в ряду окислов весовые соотношения меняются как целыечисла – сложные вещества состоят из целого числа атомов каждого элемента.Углерод присоединяет один, два, но не «пи пополам» атомов кислорода.Итак,атомная теория из умозрительных рассуждений превращается в нечто,подтверждающееся химическими наблюдениями, и кладётся в основу теоретическогоаппарата химии: Дальтон публикует капитальный труд «Атомная химия». ДалееАвогадро оперирует понятием «молекула». Поскольку при реакциях в газовой фазеотносительные объемы исходных веществ и продуктов реакции относятся как целыечисла, следует считать, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул(не атомов!). Если два объёма водорода и один объём кислорода дают два объёмаводяных паров (разумеется при той же температуре и том же давлении), то этонеслучайно – при таком соотношении объёмов каждая молекула кислорода и двемолекулы водорода дают две молекулы воды.

К середине XIX в.расширился как круг элементов, так и объём знаний об их свойствах. К этомувремени Франкланд ввёл в химию понятие «сродство», которое количественновыражалось в числе атомов водорода, которое может присоединить или заместитьданный элемент. У кислорода, например, две единицы сродства, азота – три,углерода – четыре. Это то же самое, что нынешнее понятие «валентность».Куперразработал метод составления структурных формул. Пользуясь структурнымиформулами, Кекуле и Бутлеров положили начало современной органической химии.Для физика XIX в. атом является ненаблюдаемой сущностью. Онтребует физические характеристики атома: вес, размеры, координаты впространстве и т.д.

Открытиерадиоактивности

В 1895 г.Рентген открыл лучи Рентгена. Это было замечательное научное достижение игазеты писали о нём взахлёб – это ж можно увидеть кости скелета у живогочеловека или струны рояля не подымая крышки! Недаром Рентгену первому былаприсуждена Нобелевская премия по физике.Анри Беккерель, подогретыйобщим ажиотажем, задался вопросом: а не могут ли тела, самопроизвольносветящиеся в темноте, кроме световых лучей испускать и другие, невидимые. Сэтой целью он провёл ряд экспериментов с фосфоресцирующими объектами инашёл-таки невидимое излучение, которое засвечивало фотопластинки. Егоиспускали соли урана (и чистый уран тоже). И это были не лучи Рентгена, ачто-то иное. Так же, как Колумб отправился искать короткий путь в Индию, аоткрыл Америку, так и Беккерель в поисках новых источников лучей Рентгенаоткрыл совершенно новый мир физических явлений — в 1896 г. была открытарадиоактивность.Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена.Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того“излучений”. В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучениюэлементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик ДжорджДжонстон Стони (1826–1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабреВильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые онназвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но вГермании и России принято называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают,когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются спрепятствием.

Былоизвестно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимыйсвет – зеленую люминесценцию. Рентген обнаружил, что одновременно от зеленогопятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно:то в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый веществом,который дает яркую желто-зеленую люминесценцию под действием ультрафиолетовых,а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того,когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. ВскореРентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества,вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или дажепомещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу,через еловую доску толщиной 3 см, через алюминиевую пластину толщиной 1,5 см…Рентген понял возможности своего открытия: “Если держать руку между разряднойтрубкой и экраном, – писал он, – то видны темные тени костей на фоне болеесветлых очертаний руки”. Это было первое в истории рентгеноскопическоеисследование. Открытие Рентгена мгновенно облетело весь мир и поразило нетолько специалистов. В канун 1896 в книжном магазине одного немецкого городабыла выставлена фотография кисти руки. На ней были видны кости живого человека,а на одном из пальцев – обручальное кольцо. Это была снятая в рентгеновскихлучах фотография кисти жены Рентгена.

Открытие электрона/>

А в следующем, 1897 г. Д.Д. Томсон (лучше произносить по-английски: Джи-Джи Томсон) открыл электрон.Малокому известный до того времени Д.Д. Томсон был, тем не менее, директоромКавендишевской лаборатории при Кембриджском университете – учреждении, где великиеоткрытия совершались чаще, чем где-либо ещё на планете. Первым ДиректоромКавендишевской лаборатории был Джеймс Максвелл, вторым – лорд Рэлей, третьим — Д.Д. Томсон. Он занимался катодными лучами.Можно ли пропустить электрическийток через вакуум? Возьмём стеклянную капсулу, впаяем в неё электроды, выкачаемвоздух и подключим электроды к мощной батарее. В капсуле (которую далее будемуже называть электронно-лучевой трубкой) появится свечение.

Светится в данном случаеразреженный газ. Если в трубке создать более глубокий вакуум, то околоотрицательно заряженного электрода (катода) появится зеленоватое свечение.Металлический предмет, помещённый между катодом и стеклом, даст тень(экранированный им участок стекла светиться не будет). Итак, нечто вылетает изотрицательно заряженного электрода (катода), попадает на стеклянную стенку изаставляет её светиться. Назовём это нечто катодными лучами. Может быть, этоволны эфира, а может – частицы вещества, «чистого электричества». Та женеопределенность во времена ранних работ Томсона с катодными лучами существуети для лучей Рентгена.Томсону удаётся отклонить катодные лучи вэлектрическом и магнитном полях. Значит, перед нами не волны эфира, а частицы.Сила отклоняющая частицы в магнитном поле, есть функция, определяемая тремяпараметрами – скоростью частиц, их зарядом и массой. Сила отклонения вмагнитном поле – функция от тех же трёх параметров. Зная эти силы, получаемсистему из двух уравнений с тремя неизвестными. Понятно, что полностью решитьих невозможно, но Томсону удаётся вычислить скорость частиц и отношение массы кзаряду, m/q.

Пропускаем через растворили расплав определённое количество электричества q и получаем наэлектроде определённую массу вещества m, — вэлектролизной ванне тоже движутся заряженные частицы вещества, их принятоназывать ионами. Хотя ион – такая же ненаблюдаемая сущность, как иатом, для него есть по крайней мере одна физическая характеристика – отношениемассы к заряду.

Однако m/qдаже самого лёгкого элемента, водорода, в 2 000 раз больше, чем у частицкатодных лучей. Что же перед нами: ион водорода (или ещё какого-либо элемента)с аномально большим зарядом, или «стандартный» по заряду ион «чистогоэлектричества» с аномально малой массой.

Лучше выбрать последнийвариант – во-первых, m/qчастиц катодных лучей не зависит от материала катода (Томсон это проверил),т.е. это не есть мельчайшие кусочки катода; во-вторых масса заряженного тела итого же тела, с которого заряд «стёк», не меняется, точнее, разница не можетбыть измерена лабораторными весами – и для объяснения этого феноменасверхлёгкие частицы «чистого электричества» весьма подходят. Название длягипотетических частиц «чистого электричества» предложили ещё в 1891 г. –«электрон».

Томсон пошёл дальшевторого варианта – он решил, что электроны – это кусочки атома, такой штучки,от которой нельзя отрезать кусочек по определению.

Теория радиоактивностиРезерфорда-Содди

В 1898 г. супруги Кюриоткрывают радий, а Резерфорду удаётся расщепить радиоактивные лучи Беккереля.Самое удивительное в явлении радиоактивности — постоянное выделениеэнергии. Самое непонятное — откуда она возникает? Радий – исключительнорадиоактивный элемент. Чуть позже Пьер Кюри подсчитал, что радий выделяет зачас около 80 кал. энергии. С одной стороны, эмпириокритики с удовлетворениемконстатируют, что рухнул ещё один фундаментальный закон природы – законсохранения энергии. С другой стороны, ежели каждый час грамм радия выделяет 80кал. … много-много, сколько угодно много часов… а если всю эту энергию вытащитьиз него разом – вот это будет плюх! Русский символист А. Белый писал в стихах«И мир взорвётся атомною бомбой!». Физики тщетно пытались объяснить, чтоатомная бомба невозможна, никакими физическими действиями – нагреванием,давлением, электротоком и т. д. нельзя изменить равномерность истечения энергиииз радия.Во-вторых, все вопросы, связанные со строением атомов, долгоевремя будут решаться через радий. Тот, кто владеет радием, владеет ключами квнутреннему миру атомов.Но ключ оказался у Эрнста Резерфорда. Он,во-первых, был исключительно силён и крепок физически, во-вторых, вышел изсамого дальнего уголка Британской империи – деревеньки Пунгареху в НовойЗеландии, а в-третьих, сам был университетом (в том числе и нашим, советским);последнее следует понимать так: он создал международную школу атомной физики.

Сам же Резерфорд являлсяучеником Дж. Дж. Томсона — самым блестящим.В 1898 г. Резерфорд являетсяаспирантом Томсона. В сильном магнитном и электрическом поле Резерфордразделяет истекающий из радиоактивного препарата «луч Беккереля» на потокположительно заряженных частиц – α-излучение и потокотрицательных частиц – β-излучение. β-частицыоказались электронами Томсона, а массивные α-частицы были чем-тосовершенно новым.После окончания аспирантуры молодой доктор философииРезерфорд едет преподавать в Канаду, в Мак-Гилльский университет, куда в это жевремя судьба занесла другого выпускника Кэмбриджского университета – химика Ф.Содди. Молодой профессор-физик и лаборант-химик объединили свои усилия в работенад торием. Торий – тоже радиоактивный элемент, но активность его очень слабая,ниже активности урана, не говоря уже о радии. Молодым учёным удалось выделитьиз препаратов тория вещество под названием «торий-Х», впоследствии оказавшеесяизотопом радия. Это было серьёзное открытие, не несущее, однако, ничегонеобычайного: радий и полоний тоже были выделены как примесь урана.

Очищенный от тория-Хпрепарат тория терял свою радиоактивность. Неожиданностью оказалось другое:лишённый тория-Х «чистый» торий через некоторое время опять содержал примесьтория-Х. И тогда было произнесено запретное слово: «Трансмутация!».Трансмутация – это алхимический термин, означающий превращение одного элементав другой.В 1903 г. Резерфорд и Содди опубликовали серию статей, вкоторых они изложили теорию радиоактивности. С последующими дополнениями онаможет быть изложена так: радиоактивность есть акт, сопровождающийпревращение одного элемента в другой. В процессе радиоактивного распада атомоввыделяется огромное количество энергии.в процессе превращения атомоводного элемента в другой выделяются α — или β-частицы. Врезультате β-распада появляется элемент, следующий за исходным втаблице Менделеева, при α-распаде возникает элемент, стоящий на двеклетки левее исходного.каждый радиоактивный элемент характеризуетсясвоим, строго постоянным временем полураспада. Например, для урана это 4,5млрд. лет, для тория — 14 млрд. лет, изотопа радия, выделенного Кюри –1 600 лет.За создание теории радиоактивности и открытие явлениятрансмутации Резерфорду была присуждена нобелевская премия по химии (1908;несмотря на выдающиеся открытия, Резерфорд, член всех академий мира,так и не стал нобелевским лауреатом по физике; Содди получил Нобелевскую премиюпо химии в 1921 г. за достижения в исследовании изотопов).

Теория броуновскогодвижения как доказательство атомной структуры вещества

В 1828 г. ботаник Броун(правильнее – Браун), рассматривая под микроскопом пыльцу сосны, заметил, чтозёрнышки пыльцы подрагивают и перемещаются. И не только пыльца – все мелкиепредметы, взвешенные в воде или газе (например, частички, составляющие дым)находятся в непрерывном движении. В 1905 г. Эйнштейн дал физическую теориюэтого движения.Согласно кинетической теории газов, молекулы газа находятсяв непрерывном движении и постоянно сталкиваются друг с другом. Некоторыемолекулы в данный момент времени движутся быстрее, некоторые – медленнее, носредняя скорость при данной температуре и давлении не меняется. Формулураспределения молекул по скоростям вывел Максвелл, она так и называется –распределение Максвелла. Если взять какой-либо диапазон скоростей, например от0 до 5 000 м/сек и разбить его на несколько интервалов, скажем, на 10, тос помощью распределения Максвелла можно рассчитать, какой процент молекул будетиметь скорость от 0 до 500 м/сек, какой – от 500 до 1000 и т.д.

Это распределениеописывает также количество молекул воздуха (а, следовательно, и давление) налюбой высоте над уровнем моря – чтобы высоко улететь и приобрести высокую потенциальнуюэнергию, нужно иметь большую энергию кинетическую, а доля молекул с большойкинетической энергией как раз и рассчитывается по распределению Максвелла.Еслирассматривать смесь разных газов, то средние импульсы молекул каждого газаравны между собой. Допустим, в имеется смесь азота и водорода. Молекулы азота в14 раз тяжелее молекул водорода. При равенстве средних импульсов mазVаз= mводVвод(m– масса, V– скорость) средняя скорость молекул водорода должна быть в 14 раз больше, чему молекул азота.Пропустив частности, законы распределения молекул вгазе можно распространить и на жидкость.Эйнштейн решил, что с точкизрения ньютоновой механики частицы, участвующие в броуновском движении, можнорассматривать как очень крупные молекулы – главное ведь не структура, а масса искорость. Тогда средний импульс броуновских частиц, должен быть таким же, как вмолекулах газа или жидкости. И наоборот – зная средний импульс частиц, можноопределить импульсы молекул.Жан Перрен экспериментально проверил гипотезуЭйнштейна.

Для этого он изготовилочень мелкие шарики одинаковой массы и рассмотрел под микроскопом распределениеэтих шариков по высоте. Количество шариков в зависимости от высоты относительнопредметного столика микроскопа менялось по тому же закону (распределениюМаксвелла), что и давление воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря,только вертикальный масштаб был иной, изменённый пропорционально разнице вмассах молекул газов воздуха и броуновских частиц.Такое совпадение неможет быть случайностью.

Оно говорит о том, чтомолекулы обладают массой и импульсом, и, более того, теория броуновскогодвижения позволяет рассчитать массу молекул следовательно, и атомов. Впростейшие формулы кинетической теории газов входит N, число Авогадро(количество молекул газа в метрическом объёме), например Давление Объём = 2/3 NСредняя кинетическая энергия молекулыТаким образом, зная массумолекулы, можно рассчитать число Авогадро (Перрен сделал это с 12% ошибкой), и,далее, размеры молекул. Приблизительно в это же время Резерфорд, исследуя числораспадов атомов радиоактивных веществ в единицу времени, рассчитал числоАвогадро совершенно иным методом и его результат оказался в соответствии сданными Перрена. Оказалось, что физические характеристики визуально ненаблюдаемыхмолекул и атомов могут быть измерены. «Увидеть» молекулы и атомы удалосьдовольно скоро – в 1912 г. Макс Лауэ получил дифракцию рентгеновских лучей накристалле сернокислой меди. Таким образом, в начале ХХ в. атом становитсяфизической реальностью. Ж. Перрен за свои эксперименты работы в областиброуновского движения получил Нобелевскую премию 1908 г.

Планетарная модельатома Резерфорда

Резерфорд установил, что α-частицыявляются ионами гелия. В 1909 г. он начал работу по рассеиванию α-частицна золотой фольге и обнаружил странное явление – некоторые α-частицыотклонялись при этом на очень большие углы.К этому времени размератомов и межатомные промежутки в металлическом золоте были известны.Представьте себе определённое количество шариков, висящих в пространствеопределённого объёма. Будем стрелять по ним вслепую, наугад более мелкимиупругими шариками. Очевидно, что хороший математик, зная, сколько снарядовпрошло мимо, а сколько отразилось от мишеней, сможет рассчитать размер мишеней.Помощникам Резерфорда удалось собрать статистику рассеиваний для 150 000«выстрелов». На этих абсолютно надёжных данных Резерфорд рассчитал размермишеней, и оказалось, что они в тысячи раз меньше размера атома. Отсюдапоследовал вывод: атом имеет очень маленькое массивное положительно заряженноеядро и рыхлую внешнюю часть, образованную вращающимися вокруг ядра электронами.Тогда понятно, почему мишень так мала: α-частицы отражаются не отатома, а от ядра. Масса электрона почти в 8 000 раз меньше массы α-частицы,поэтому при столкновении её с электроном на периферии атома никакогосколько-нибудь заметного отклонения траектории α-частицы непроизойдёт.Теория Резерфорда получила название «планетарной моделиатома». Эта метафора очень удачна: электроны, подобно планетам Солнечнойсистемы, вращаются на огромном по сравнению с их собственными размерамирасстоянии от массивного ядра. Их связывает с ядром не сила тяготения, а силапритяжения разноименных зарядов.Однако электрон, вращающийся вокругядра, как и любое вращающееся тело, имеет угловое ускорение. Ускорение зарядапорождает магнитное поле, которое тормозит его движение. Поэтому электрон, вотличие от планеты, при вращении должен постоянно терять скорость и, какследствие, упасть на ядро.Резерфорд выдвинул гипотезу планетарногоатома в 1911 г., но она была молчаливо отвергнута научным сообществом. Так,например, крупнейший российский физик Лебедев, делая для журнала «Нива» обзоруспехов физических наук за 1911 г., даже не упомянул про планетарную модельатома.

Излучение абсолютночёрного тела и кванты Планка

Слово “квант” впервыепроизнёс Макс Планк в 1900 г. До этого Планк четыре года безуспешно пыталсярешить проблему излучения абсолютно чёрного тела. Суть её в следующем.Свет,как и прочие электромагнитные волны, излучается по двум причинам: во-первых,потому, что тело-излучатель нагрето и светится “само из себя”, во-вторых,потому, что оно отражает свет, падающий извне. Последнее неинтересно. Придумаемнекоторое идеальное тело, которое ничего не отражает, а только излучает подвлиянием внутреннего тепла и назовем его абсолютно чёрным телом. Это –идеальная модель для исследования процессов электромагнитного излучения. Кначалу ХХ в. известно про него следующее:экспериментально получены эмпирические кривые распределенияэнергии по частотам в зависимости от температуры тела;всяэнергия излучения (по всем частотам интегрально) пропорциональна четвёртойстепени температуры (закон Стефана-Больцмана): Eобщ= σT4,где σ – постоянная Стефана-Больцмана; Длина волны, соответствующаяпику кривой распределения энергии, Емакс, делённая на температуру,есть постоянная величина (закон смещения Вина).Теперь дело за малым:найти формулу, описывающую ход эмпирических кривых. Представим абсолютно чёрноетело в виде дырки, полости внутри закрытого сосуда. В этом объёме находятсяэлектромагнитные волны, которые отражаются от стенок, испускаются и поглощаютсястенками. Получим что-то вроде пространства, заполненного стоячими волнами –такие появляются в чашке чая, если чашку поставить на столик быстро движущегосяпоезда. В чашке с чаем они возникнут от толчков с определённой, постояннойчастотой. А каковы частоты колебаний электронных осцилляторов? (что-то вродешарика на пружинке (от лат. oscillo — качаюсь)) – самые разные. Но чтобы всосуде образовались стационарные стоячие волны (а они обязательно должныустановиться согласно классической теории), необходимо, чтобы расстояние междустенками сосуда равнялось половине длины волны, или двум половинам, или трём ит.д. По законам статистической физики, каждая из таких волн, как длинных, так икоротеньких, должна иметь в среднем одну и ту же энергию. Но длинных волн всосуде поместится мало, а короткие можно мельчить до бесконечности.

Стало быть, волны мелкойи мельчайшей длины “вытянут” на себя всю энергию. Стало быть, основноеизлучение при любых температурах должно приходиться на коротковолновую частьспектра. Этот теоретический вывод получил название “ультрафиолетоваякатастрофа” (ультрафиолетовые волны – самые короткие электромагнитные волны,известные физикам того времени). Формула, которая приводила чёрное тело к“ультрафиолетовой катастрофе”, называется уравнением Релея – Джинса.МаксПланк четыре года бился над решением загадки “ультрафиолетовой катастрофы”. Вконце концов он допустил, что электрон-осциллятор работает по принципу “всё илиничего” — энергия его излучения является строго определённой “порцией”, и,скажем, “полпорции” он излучать не может. Если положить размер “порции” обратнопропорциональным длине волны, то тогда длинноволновой осциллятор без трудасыщет энергию для излучения “порции”. Но чем короче волна, тем больше энергия в“порции”, а где ж её взять? Вот и получается, что при низких температурахчёрного тела коротковолновые осцилляторы не излучают (энергии не хватает на“порцию”), и “ультрафиолетовая катастрофа” побеждена. Планк назвал такие“порции” квантами, и этот простейший из возможных “ограничитель энергии”записал так: Е = hc/λ= hν, где Е– размер “порции энергии”, кванта, λ (“лямбда”) –длина волны излучения, c/λ = ν(“ню”) – частота световой волны, h (“аш”) — коэффициент пропорциональности, получивший название “постоянная Планка”. И чудослучилось: формула зависимости энергии от температуры и частоты не толькохорошо совпала с экспериментальными данными, но из нё удалось вывести законыСтефана-Больцмана и Вина! Одно нехорошо: почему это осциллятор долженвыбрасывать энергию “порциями”? Планк предложил теоретическое обоснование длясуществования квантов, но оно оказалось неудовлетворительным.

Теория фотоэффекта

В том же номере журнала,в котором была опубликована первая статья по теории относительности, была ещёодна работа Эйнштейна, анализирующая структуру света.Весомая материясостоит из недробимых атомов, а электромагнитное поле представляется как нечтооднородное и неделимое. Однако излучение, согласно Планку, не непрерывно, адискретно, и есть некоторые данные, наталкивающие на мысль, что и поглощениедискретно. Нельзя ли предположить, что электромагнитное поле дискретно всегда,состоит из частичек – квантов, атомов поля? Эйнштейн применяеттермодинамические уравнения к лоренцовым осцилляторам для случая малыхтемператур и энергий (здесь зернистость излучения должна выступать отчётливей)и получает формулы, очень сходные с формулами, описывающими поведение молекулгаза.Явление, наталкивающие на мысль о дискретности поглощения – этофотоэффект. Феномен фотоэффекта был открыт Герцем в 1878 г. и десятилетиемпозже детально изучен Столетовым. Говоря языком более поздней физики, приоблучении металла ультрафиолетом его поверхность начинала испускать электроны.Если длина волны излучения была больше пороговой, фотоэффект отсутствовал. Суменьшением длины волны и соответственно, частоты света, он рос. Кинетическаяэнергия вылетающих электронов линейно зависела частоты света, но на неёсовершенно не влияла интенсивность облучения. Это было странно. Энергияколебательных движений определяется не только частотой, но и амплитудой.Разумно предположить, что осциллирующий электрон, как гимнаст на батуте, поймаврезонирующую частоту, будет подпрыгивать всё выше и выше, увеличивая амплитуду– пока не выпрыгнет вон из металла. Чтобы проделать этот фокус, достаточно датьинтенсивное излучение, а частота совершенно не важна.В этой статьеЭйнштейн даёт и объяснение фотоэффекта. Кванты Планка – реально существующиечастицы, которые, попав в электрон, выбивают его из металла. Осциллирующийэлектрон — что-то вроде шарика на пружинке. Для того, чтобы порвать пружинку,необходимо затратить работу. Если энергия кванта света равна или превышаетчисленное значение этой работы, то квант света выбьет электрон, причём, чембольше энергия фотона превышает пороговую работу («разрыв пружинки»),тем быстрее будет двигаться выбитый электрон. Ну а энергия кванта прямо зависитот частоты. Скорость выбитого электрона тоже должна быть прямо пропорциональначастоте.Замечательный экспериментатор Роберт Милликен продемонстрироваллинейную зависимость скорости от частоты – но только в 1915 г.Итак,планковская “порция” энергии оказывается материальным тельцем, энергиястановится веществом – это раз. Свет превращается в поток частиц – квантов –этодва. И, наконец, когда мы решаем задачи со сталкивающимися шариками, должныучитывать закон сохранения импульса. Импульс = масса />скорость.Массы у света нет – откуда взяться импульсу? Эйнштейн рассматривает энергиюкванта (она-то есть) как эквивалент релятивистскому дефекту масс E= mс2,где с– скорость света/>. Тогда если энергию разделить на скоростьсвета, получим нечто размерности импульса.Здесь всё вопиёт к отмщению.Энергия, работа – это сила, умноженная на путь, нет в ней ничего материального,сила и путь – это не то, что можно трогать. Планк определил какие-тоограничители для колеблющихся электронов. Природа их непонятна, нопредположить, что эти ограничители способны летать в пространстве – абсурд!Свет — волновой процесс, а не поток частиц, и тому есть миллионы доказательств.А уж если квант света — частица, то почему её энергия определяется через длинуволны или частоту колебаний? И, наконец, это математическое шулерство симпульсом! Публикации Эйнштейна по фотоэффекту вызывали у многих физиков нетолько неприятие, но и открытое возмущение.Эйнштейн посвятилквантованию света серию статей, в которых, в частности, пытался отыскать связьмежду волновой и корпускулярной природой света. Он чувствовал физическуюнесостоятельность концепции света как “волн эфира без эфира“. Лоренц в 1909г., сравнивая оба подхода, находил зияющие бреши и там и тут. Он показал, чтообъяснить фотоэффект волновая теория не способна – электрон слишком мал, чтобыта часть света, которая падает именно на него, способна была произвестикакую-либо работу. Накапливались факты, подтверждающие корпускулярную теориюсвета и квантовую природу распределения энергии в веществе – в областилюменисценции, фотоионизации, физике низких температур (нарушение законаДюлонга-Пти).

Квантовая модель атомаБора./> Спектроскопия

Согласно формуламизлучения абсолютно чёрного тела, нагретое вещество должно излучатьэлектромагнитные волны в непрерывном диапазоне частот. Однако реальные а неидеальные тела могут нарушать эту закономерность. Если разложить излучениехимически чистых элементов с помощью призмы в спектр, окажется, что излучениепредставлено не широкими полосами, а отдельными узкими линиями. Это и естьспектр излучения. Существует и спектр поглощения – если пропускать свет черезпары или прозрачный раствор того же вещества, то в нём исчезнут частоты, вточности соответствующие линиям спектра поглощения. В начале ХХ в. это явлениебыло хорошо известно.Каждый элемент имеет свой собственный наборспектральных линий. Иногда даже там, где качественный химический анализ неможет выявить наличие определённого элемента, в спектре смеси удаётся выявитьхарактерные линии и доказать присутствие искомого элемента./>Квантоваямодель атома Нильс Бор в 1911 г написал прекрасную дипломную работу и получилвозможность целый год стажироваться в любом университете Европы за казённыйсчёт. Он поехал было в Кембридж к Томсону, но здесь его работа не заладилась, ион оказался в Манчестере, у Резерфорда, вокруг которого уже тогда складывалсяпрекрасный коллектив молодых энтузиастов. Бор вернулся в Данию горячимсторонником планетарной модели атома, и, беседуя с аспирантом-спектроскопистом,неожиданно нашёл решение противоречий атома “по Резерфорду” и планковскихквантов. Рассмотрим простейший атом водорода. Электрон, вращаясь вокруг ядра,должен непрерывно излучать электромагнитные волны (это тот же осциллятор), и,теряя скорость, упасть на ядро. Но если Планк прав, то электрон не можетизлучать непрерывно, энергия испускается только “порционно”. Энергия электрона– это кинетическая энергия вращающегося шарика E= ½mV2, где m– масса электрона, V – егоскорость. Если она меняется “порциями”, значит, так же, “порциями” должнаменяться и скорость. Центробежная сила, возникающая при вращении, равнаэлектрическому притяжению ядра (масса и заряд электрона были определены в 1911г. Р. Милликеном). Эта центробежная сила зависит от скорости и радиуса.Поскольку радиус вращения электрона через силу связан со скоростью, приизменении скорости “порционно” так же, квантовано, должен меняться и радиус егоорбиты. Итак, электрон может излучать или поглощать энергию, толькоперескакивая с орбиты на орбиту. Находясь на некоторой постоянной орбите,никуда не перескакивая, он не излучает. Есть некоторая орбита минимальногорадиуса, ниже которой перескочить невозможно. Попав на неё, электрон можетпоглотить квант света строго определённой частоты и перепрыгнуть на вторую,третью, n-ю орбиты, где в свою очередь, поглотить илииспустить квант света. Теперь понятно, почему спектр чистого элементалинейчатый. Если в атоме водорода электрон перескакивает с первой орбиты навторую, третью и т.д., значит он захватывает кванты света с частотами ν1, ν2, …νi,а остальной свет пропускает. Вот и получается спектр поглощения для линииБальмера. Поскольку каждый элемент имеет свой собственный заряд ядра (этоустановил в 1913 г. ученик Резерфорда Г. Мозли, Бор был в курсе его работ),который определяет свою центробежную силу и свои радиусы орбит, постолькукаждый элемент имеет свои собственные спектры излучения и поглощения.Всепроцессы поглощения и испускания квантов света в атоме водорода можноопределить, зная число n — номер орбиты, который меняется от 1 до бесконечности. Однако чем дальше отядра, тем ближе друг к другу радиусы соседних орбит и при больших значениях n спектр становится не линейчатым, апрактически непрерывным. Оторванные от ядер электроны “электронного газа” вметаллах тоже могут давать непрерывный спектр. И, наконец, на этой дальнейпериферии атома частоты излучения совпадают с частотой вращения электрона и наэтом уровне реализуется “электронный осциллятор”. Тут опять мы сталкиваемся спринципом соответствия – классическая электронная теория (за которую в 1902 г.Х. Лоренц получил Нобелевскую премию) оказывается частным случаем квантовойтеории атома. Бор рассчитал минимальный радиус атома водорода для n = 1 (теперь он называется “радиус Бора”) –оно совпало с экспериментальными данными, вывел из квантовой теории атомаформулу Бальмера и выразил через комбинацию физических постоянных числоРидберга, значение которого до этого было получено только опытным путём. Ослучайных совпадениях здесь говорить не приходится – Бор прав. Итак, двафизических ублюдка – квантовая гипотеза Эйнштейна и планетарная модель атома –объединённые Бором, превратились в фундаментальную теорию. Правда, боровскаятеория хорошо объясняла только атом водорода и однократно ионизированный атомгелия, да авось утрясётся…

Дуализм волна-частица и его доказательства

В классической физике все процессы дробимы и непрерывны – кромеколебательных. Натянем между двумя точками струну и приведём её в движение.Разнообразие простых колебаний, которые можно получить таким образом,бесконечно большое, но ограниченное условием — половина длины волны должнаукладываться на расстоянии между точками прикрепления один, или два, или три — n раз, где n – целое число от 1 до бесконечности. Не волновые ли процессы лежатв основе постулатов Бора? В 1923 — 1925 гг. Луи де Бройль высказал идею,что не только квант света, — все элементарные частицы являются одновременно ичастицами и волнами, причём длина волны очень просто зависит от импульсачастицы: λ = h/p, где h – постоянная Планка, р – импульс.В том,что электромагнитный квант – частица, физиков убедил эффект Комптона, открытыйв 1923 г. Квант рентгеновского излучения, попадая в электрон, теряет частьсвоей энергии и переизлучается с меньшей частотой. Энергия тратится на то,чтобы электрон разогнать. Весь процесс можно описать как столкновение упругихшариков на основании закона сохранения импульса.Элементарных частицтогда было всего-то три – квант света, фотон (он получил это название в 1921г.), электрон и протон – Резерфорд “окрестил” его в 1920 г.В такомслучае, длина волны электрона в атоме, полученная из его импульса,действительно оказывалась близкой к окружности атома. Правда, перед намиобъяснение неизвестного через непонятное, и первый вопрос, который тут жевозникает: частица – это колебание чего? Но здесь можно спрятаться в “убежищеневежества”. Главное другое – как одна и та же вещь может быть и волной, ичастицей? Противоречивость этих двух понятий слишком очевидна, чтобы еёразъяснять. С другой стороны, если фотон – частица, то почему его энергияопределяется через частоту колебаний? А если электромагнитная волна, то почемувышибает электрон из атома? Де Бройль знал о существованииматематического аппарата, который в классической физике позволяет описатьдвижение ансамбля материальных точек волновыми функциями (преобразованияГамильтона и Лагранжа). Правда, использовать его никто не пытался – не было вэтом никакого физического смысла, но в принципе это возможно. И если электроныв атоме представить так, то квантовое число n может быть просто числомстоячих волн в атоме – и тогда загадка квантовых скачков решена! Де Бройльпоказал, что электрон может быть представлен стоячей волной.Это“может быть” означает не только то, что данное положение не доказаноэкспериментально, но и то, что из такого допущения нет никаких проверяемыхтеоретических следствий.Де Бройль предположил, что частица – этосуперпозиция (наложение) многих мелких волн, которые дают единственнуюпучность. Теорема о разложении в ряды и интегралы Фурье утверждает, что любаядостаточно гладкая функция может быть представлена как суперпозиция (сумма илиинтеграл) гармонических функций с различными частотами. Правда междуматематикой и физикой есть та существенная разница, что физика не произвольна ввыборе функций. “Волновой пакет”, который удовлетворял бы условиям движущегосяэлектрона, ни де Бройлю, ни кому другому получить не удалось.Итак, в1923-24 гг. де Бройль удивляет физиков математическими фокусами. Однаковолновые свойства электрона чуть позже были доказаны экспериментально – в 1927г. американцы К. Дэвиссон и Л. Джермер и независимо от них англичанин ДжорджТомсон (Джи-Пи Томсон, сын Джи-Джи Томсона) открыли дифракцию электрона. Длинаволны электрона в точности соответствовала формуле де Бройля.Сложившаясяситуация получила название “корпускулярно-волновой дуализм”. Слово “дуализмследует переводить как “двойственность”.

Квантовые механики Шрёдингера и Гёйзенберга

В 1926 году появляются две альтернативных по духу квантовых механики –матричная механика Гейзенберга и волновая механика Шрёдингера. ВернерГейзенберг объяснял свою попытку стремлением отказаться от ненаблюдаемыхсущностей. Бор, для того, чтобы объяснить спектр водорода, рассматриваетэлектрон как шарик, вращающийся с определённой скоростью вокруг ядра, причём наэто вполне классическое представление накладываются классически необъяснимыеограничители – постулаты Бора.Но проверить истинность модели Бора,например, получить измерение скорости электрона не из формулы, а путёмнаблюдений, невозможно. Правильность теоретических выкладок определяется еёсогласием со спектром водорода. А нельзя ли получить теорию спектров,изложенную таким языком, где нет непрерывных, неквантовых понятий, безпостулатов и вращающихся шариков? Гейзенбергу удаётся решить эту задачуследующим образом: для основных понятий классической физики вводятся ихквантовые аналоги — такие, которые по принципу соответствия для большихквантовых чисел n, переходят в привычные координаты,скорости и другие характеристики макрофизики. Эти квантовые аналоги не числа, агрупы чисел, знаки и параметры в математических формулах оперируют также не счислами, а упорядоченными группами чисел.Квантовая механика — набордискретных, квантовых функций, исчерпывающим образом описывающих физикумикромира, которые при увеличении масштабов системы вырождаются в непрерывныефункции макромира.Первый набросок квантовой механики 24-летнийГейзенберг публикует в ноябре 1925 г. В следующим году Борн и Иордан привели впорядок математический аппарат квантовой механики, изложив его на языкенепривычной для физиков матричной алгебры (указанные выше группы чисел образуютматрицы; с ними производятся операции сложения, умножения и т.д.), а Паулирассчитал этим методом спектр водорода. Оказалось, что матричная механикаобъясняет более широкий круг квантовых феноменов, чем «старая»квантовая теория Бора.Однако новая теория абсолютно ненаглядна –вращающийся шарик исчез, остались только формулы матричной алгебры. ЮногоГейзенберга это мало заботит, он уверен, что главное – довериться математике, аона, как умная лошадь, сама вывезет куда надо. Никаких волновых качествэлектрон Гейзенберга не имел.Эрвин Шрёдингер шёл встречным курсом — если Гейзенберг выводил классическую механику из матричной, Шрёдингер стремилсяобъяснить кванты классическим путём. Он развил волновую теорию де Бройля ипостроил работоспособную математическую модель атома, в которой электроныявлялись стоячими волнами и, по его представлению, вернул квантовую теорию вклассическое русло. Вся квантовая механика уместилась в одну формулу — знаменитое «уравнение Шрёдингера», она же «пси-функция»,описывающая состояние волны-частицы в данной точке трёхмерного пространства.Первая статья с новой формулой появилась в 1926 г. Из волновой формулыШрёдингера тоже можно было получить спектры водорода и гелия.В том жегоду Шрёдингеру удалось доказать, что волновая и матричная механики совершеннотождественны – с помощью математических преобразований они могут бытьпереведены друг в друга.Однако несмотря на математическую эквивалентность, физический смысл теорииГейзенберга и теории Шрёдингера был взаимоисключающим. В сентябре 1926 г.Шрёдингер и Гейзенберг встретились у Бора в Копенгагене, но многодневнаядискуссия не выявила никаких точек соприкосновения в их мировоззрениях.

Принцип неопределённости принцип дополнительности/>

Принцип дополнительностиКначалу 1927 г. Бор окончательно осознал, что физике не избавиться ни отдискретности квантовых скачков, ни от непрерывной волновой природы электрона.Ответ на вопрос – что есть электрон – волна или частица был следующим – и неволна, и не частица. Проблема переместилась из физики в теорию познания:проблема корпускулярно-волнового дуализма есть проблема неадекватности нашегоязыка.Система пространственных образов, которая характерна длячеловеческого мышления, ограничена. Например, такие понятия, как частица,импульс, траектория – это понятия того большого мира, в котором мы живём. Вмикромире же есть свои сущности, которые связаны с понятиями частицы, импульса,траектории только принципом соответствия – если объект наблюдения делать всёболее и более крупным, он всё более и более будет становиться частицей.Электрон– не шарик, не кубик, не волна, это нечто такое, чему принципиально невозможнопридать зрительную форму.Поскольку модели электрона, адекватной нашемуязыку зрительных образов, нет, мы должны использовать набор образов-протезов,каждый из которых, будучи неполным, в чём-то дополняет другой неполный ивсе вместе они делают картину более целостной. Хотя зрительные образыэлектрона-волны и электрона-частицы являются взаимоисключающими, математическиемодели, вызывающие в нашем сознании эти образы, не вступают в логическоепротиворечие друг с другом.Принцип дополнительности – философскаяконцепция, допускающая необходимость использования разных теоретических моделейдля описания одного реального объекта. Изначально он выдвигался для смягченияпротиворечий корпускулярно-волнового дуализма, но это их разрешение оказалосьвременной конструкцией и было замещено в дальнейшем вероятностнойинтерпретацией уравнения Шрёдингера.Бор считал принцип дополнительности очень важным ипытался внедрить его в другие естественные науки, в первую очередь в биологию –без особого успеха. Буквальное истолкование принципа дополнительности,по-видимому, мало плодотворно, однако сама проблема неадекватности языка наукипознаваемому объекту, безусловно, чрезвычайно важна, просто решения её небывают настолько “лобовыми”, прямолинейными, как это представлялось Бору./> Принцип неопределённости Одновременно споявлением принципа дополнительности Гейзенберг выдвинул принципнеопределенности: Δх· Δp ≥h. Δх – погрешность в определении координаты частицы, Δp– погрешность в определении импульса h– постоянная Планка. Невозможно одновременно определить импульс и координатычастицы. Чем точнее удаётся выяснить координаты электрона, тем болеенеопределённым оказывается импульс и наоборот. Впоследствии были найдены другиенеравенства неопределённости, величины, получившие название сопряжённых.Самое важное из них — ΔЕ · Δ t ≥ h,погрешность в определении энергии, умноженная на погрешность в определениивремени больше постоянной Планка. Философское значение этой маленькой формулыосмысливается до сих пор. Первоначально дело обстояло так: допустим, нам нужноизмерить импульс электрона – массу, умноженную на скорость. Масса известна,требуется определить скорость – засечь время электрона на старте, время нафинише и путь разделить на разницу во времени. Как увидеть старт электрона?Световая волна слишком длинная для того, чтобы реагировать на электрон. Небеда, есть волны короче электрона – гамма-излучение. Однако чем короче волна,тем больше энергия электромагнитного кванта: E=hν =hc/λ. Гамма-квант, попав в электрон, просто сшибёт его состарта и не даст измерить импульс. Вывод первый – наши приборы никогда непозволят производить точные наблюдения над частицами. Подразумевается, чтосами-то импульс и координата есть, да только нам они не будут известны,поскольку приборы вносят искажения в эксперимент. Однако действительно лиэлектрон имеет эти характеристики “для внутреннего пользования”? Может бытьправ Бор, импульс и координаты – это атрибуты объектов макромира, а электронимеет иные характеристики, адекватно отразить которые в рамках языка макромирапросто невозможно? Может быть сопряжённые величины – ипостаси некоего единства,которое можно понять только в дополнительности? В современной физикенеопределённость рассматривают именно как свойство материи, а не следствиенесовершенства способов наблюдения. Принцип неопределённости можно получить нетолько анализируя мысленные эксперименты над “освещённым электроном”, но и непосредственноиз уравнения Шрёдингера, не вводя наблюдателя. Вероятностная трактовка уравнения Шрёдингера, сделанная Борном, убираетнаблюдателя и его несовершенные приборы и делает неопределённость деталью болееобщей картины мира.

Вероятностноеобоснование уравнения Шрёдингера (Макс Борн)

Если электрон– волна, то что колеблется? Макс Борн в 1928 г. ответил на этот вопрос.Волновая функция не есть колебание материального тела, это функция,определяющая вероятность нахождения электрона в данной точке (эту вероятностьзадаёт квадрат амплитуды волновой функции). Координаты частицы невозможноопределить точно. Можно лишь рассчитать вероятность нахождения её в данныймомент времени в данной точке пространства – и ничего более. Уравнения,определяющие эту вероятность, записываются волновыми функциями. Вероятностноеистолкование волнового уравнения получило название “копенгагенскаяинтерпретация” (хотя сам Борн работал в Геттингене). Существовали и другиеверсии осмысления волновой функции, например, “брюссельская интерпретация”, нокопенгагенская является ведущей.Под “копенгагенской интерпретацией”понимается также триединство “объект-прибор-наблюдатель”. Эта философскаяпозиция, которую развивал Бор, подразумевала, что квантовая физика изучает нетолько внешний объект, наблюдатель и прибор “встроены в теорию”.Предполагалось, что в зависимости от того, какой прибор выбирает наблюдатель,такую ипостась частицы – волновую или корпускулярную – удаётсязарегистрировать. Вместе, одновременно, обе характеристики получить нельзя.Является ли электрон волной или корпускулой — зависит от наблюдателя.Отсубъективизма в физике удаётся избавиться, если принять, что вероятность–характеристика состояния, имеющая чисто физические причины. Такая философскаяпозиция у современных физиков является ведущей.«Анализируя степеньобоснованности положения о вероятностной интерпретации волновой функции,отметим, что в квантовой механике две основные задачи — нахождениехарактеристик стационарного состояния атома, т. е. энергии, квантовых чисел, окоторых пойдет речь в следующем разделе, и расчет вероятностей ядерных реакцийкак функций энергий и углов рассеяния частиц. Решение первой задачи,основной в атомной физике, не требует интерпретации волновой функции, так какэнергия и квантовые числа физической системы находятся как условия, при которыхуравнение Шредингера имеет решение. В основе постановки второй задачи,относящейся к ядерной физике, лежит вероятностная интерпретация волновойфункции. Многие такие задачи решены и блестяще согласуются с экспериментом. Внастоящее время нет экспериментальных указаний против вероятностнойинтерпретации Борна, так же как нет и альтернативной трактовки волновойфункции.» (Дубовой, 1979).Дляиллюстрации объективности вероятностных процессов можно использовать феномен туннельногоэффекта. Представьте себе одинаковые рюмки, стоящие на горизонтальной крышкестола. В одной из рюмок (назовём её А-рюмка) находится горошина. Чтобыпереместить её в другую рюмку, нужно сначала затратить энергию на подъём горошины,а затем эту энергию получить обратно. В итоге энергетический баланс будетнулевым.Ситуацию, в которой находится горошина, называют наличиемпотенциального барьера. В нашем мире горошина никогда не сможет переместитьсяиз одной рюмки в другую – она никогда не получит нужной энергии для преодоленияпотенциального барьера.Но в квантовом мире микрочастица может выйти за пределыпотенциального барьера, если он не очень широк – пси-волна не полностьюпоглощается стенками узкого барьера, по другую его сторону ослабленная волнавсё же имеет ненулевое значение. Пси-волна – функция вероятности нахождениячастицы в данной точек пространства. Это значит, что вероятность обнаружениячастицы на дне Б-рюмки хоть маленькая, да существует. Главное, чтобы при этом ненарушился закон сохранения энергии.Это – основа теории α-распада,созданной Гамовым в 1928 г. α-частицы, находящиесяв ядре атома, отделены от внешнего мира потенциальным барьером. У радия инекоторых других элементов он не очень широк и α-частицыимеют мизерный шанс совершить побег. В препарате радия с большим числом атомовтакая вероятность превращается в закономерность.Кто не понял физической сутитуннельного эффекта, должен сосредоточиться на главном — α-распад осуществляется безнаблюдателя и его приборов, вероятностные процессы здесь не есть следствиепогрешности эксперимента.Так, начиная с 1913, вероятностныйдетерминизм непрерывно расширял свои владения, пока не стал главным принципомквантовой физики. Полное осознание его господства наступило довольно поздно.Так, Борн получилНобелевскую премию только в 1954 г. В физике макромира жёсткийдетерминизм остаётся господствующим. В теории вероятности существует законбольших чисел Чебышева, который можно сформулировать приблизительно следующимобразом: чем больше объём статистического материала, тем меньше погрешностей впредсказании обобщённых результатов эксперимента. Если выборка стремится кбесконечности, то погрешность становится бесконечно малой.Законыстатистических распределений обычно называют просто статистиками.Поведение ансамблей элементарных частиц описывается другими формулами – это статистикаФерми-Дирака для частиц вещества (фермионов) – электронов, протонов,нейтрино и т.д. и статистика Бозе-Эйнштейна для квантов полей (бозонов)– например, для квантов света. В квантовой физике они играют огромную роль.

Открытие нейтрона,электрона, мю-мезона

В 1932 г. сотрудникРезерфорда Д. Чэдвик открыл нейтрон, точнее, электрически нейтральный объект смассой, приблизительно равной массе протона. Существование подобного объекта ненарушало законов атомной физики, более того, он был предсказан Резерфордом ещёв 1920 г. Действительно, если ядро атома гелия, например, имеет массу, равнуючетырём массам протона, а заряд, равный двум зарядам протона, следовательно, вядре должно существовать ещё нечто, тяжёлое и нейтральное. Но это нечто можнобыло собрать из существующих на то время деталей конструктора. Резерфордвыдвинул на эту роль гипотетический особо тесный комплекс протон+электрон. Иэто было совершенно естественно – раз в процессе β-распада из ядра вылетают электроны, значит их там должнобыть много. Правда, уже в 1932 г. Д.Д. Иваненко и Э. Майорана независимо другот друга предложили модель ядра, состоящую из протонов и нейтронов.Толькодва года спустя Чэдвик пришёл к выводу, что открытый им объект – новаяэлементарная частица. Признать это было психологически сложно – физики нехотели новых частиц, не хотели перестраивать с таким трудом созданнуютеорию атома, казавшегося таким простым и прекрасным.Помимо нейтрона, кначалу 30-х годов были ещё две гипотетических частицы, получивших впоследствииназвания «нейтрино» и «позитрон». Нейтрино придумал Паулидля объяснения непонятных явлений при β-распаде радиоактивных веществ. Почему скорости электронов,вылетающих из одинаковых атомов, разные? Паули предположил, что при β-распаде атом испускает две частицы и суммарная их энергияпостоянна, а между частицами она делится достаточно произвольно. Вторая частицаэлектрически нейтральна, поэтому она не регистрируется обычными приборами и невступает во взаимодействие с атомами. Он считал, что если данная частицасуществует, то при его жизни её не обнаружат – необходим феноменальный прогрессэкспериментальной техники для регистрации нейтрино. В оценке скорости прогрессаон ошибся и на три года пережил срок экспериментального доказательствасуществования нейтрино.Положительно заряженный электрон можно былополучить из уравнений Дирака, однако мало кто думал, что это решение имееткакой-либо физический смысл.

Теориясильного взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие

Цветовое взаимодействие,ядерное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике.Сильное взаимодействие действует в масштабах атомных ядер и меньше, отвечая запритяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах. В сильномвзаимодействии участвуют кварки и глюоны, а также составленные из них элементарныечастицы, называемые адронами. В 1934 г. Хидэки Юкава предложил гипотезу сильноговзаимодействия. Если протоны в ядре атома, испытывая мощнейшееэлектрическое отталкивание, не разлетаются, то значит, их удерживают болеемощные силы, чем электромагнитные. Юкава вводит новое поле, в котором силыдействуют на очень коротком расстоянии. Он рассчитал, что чем массивней квантполя, тем короче расстояние, на которое оно распространяется. Так как квантыэлектромагнитного поля – фотоны – не имеют массы, электромагнитные воздействияраспространяются на бесконечные расстояния. Короткодействующее«сильное» поле Юкавы тоже квантуется, и масса кванта должна бытьменьше массы протона, но больше массы электрона. Гипотетическая частица Юкавыполучила название мезон (мезо- греч. – средне- промежуточной).Частица,похожая на мезон Юкавы, была обнаружена при исследовании вкосмических лучей, в 1937 г., но позже оказалось, чтоэто не квант сильного поля.

Это былапервая частица, существование которой не было предсказано никакой теорией идаже не могло быть объяснено никакой теорией.«Правильный»мезон Юкавы (точнее один из трёх мезонов, квантов сильного поля с разнымиэлектрическими зарядами) был обнаружен в 1947 г. В дальнейшем он был назван π-мезоном, сокращённо – пионом, а «лжемезон»- μ-мезоном (мюоном). После него были открыты более сотни«ненужных» частиц. Сильн.взаим-я в высокоэнергетич. Реакциях: Имеетсяцелый ряд высокоэнергетических процессов столкновения адронов, в которыхотсутствует жёсткий масштаб, из-за чего вычисления по теории возмущений врамках КХД перестают быть надёжными. Среди таких реакций — полные сечениястолкновения адронов, упругое рассеяние адронов на небольшие углы, дифракционныепроцессы.

С точкизрения кинематики, в таких реакциях достаточно большой является только полнаяэнергия сталкивающихся частиц в их системе покоя, но не переданный импульс.Начиная с 1960-х годов, основные свойства таких реакций успешно описываютсяфеноменологическим подходом, основанным на теории Редже. В рамках этой теории,высокоэнергетическое рассеяние адронов происходит за счёт обмена некоторымисоставными объектами — реджеонами. Наиболее важным реджеоном в этой теорииявляется померен — единственный реджеон, вклад которого в сечениерассеяния не уменьшается с энергией. В 1970-х годах оказалось, что многиесвойства реджеонов можно вывести и из квантовой хромодинамики.

Текущеесостояние в теории сильных взаимодействий: КХД — общепринятая теория сильныхвзаимодействий.

Во-первых, втех областях, где её численные предсказания надёжны, они хорошо согласуются сопытом.

Во-вторых, вней на смену сотням «элементарных» кирпичиков материи (адронов) с запутанными«правилами игры» приходят 6 кварков с единственным дополнительным квантовымчислом. Все свойства унитарной симметрии адронов, все правила «адронной химии»автоматически следуют из взаимодействия кварков.

В-третьих,КХД построена в согласии с общими требованиями квантовой теории поля, вчастности, она перенормируема. Поскольку сильные взаимодействия в КХДописываются на основе калибровочного подхода, есть надежда на то, что удастсяобъединить сильное взаимодействие с электрослабым.

Классификация ЭЧ

К настоящему временичисло зарегистрированных частиц и античастиц приближается к четырём сотням.Существует две относительно смежные классификации элементарных частиц.Во-первых, это деление частиц на фермионы (частицы вещества) и бозоны (квантыполей). Выше уже упоминалось, что фермионы подчиняются запрету Паули и имеютдробный спин, в то время как на бозоны запрет Паули не распространяется, и ониимеют целочисленные спины.Другая система частиц – деление их на лёгкие (лептоны)и тяжёлые (адроны). Тяжёлые частицы способны к сильному взаимодействию (т.е. ихпритягивает сильное «ядерное» поле), а легкие частицы – нет.Впоследствии оказалось, что лептоны — истинные элементарные частицы, которые неимеют внутренней структуры, в то время как адроны состоят из более мелкихчастиц — кварков.Тяжёлые лептоны способны распадаться с образованием стабильныхлептонов — электрона и нейтрино. Также стабильными являются протоны и нейтроны(последние являются «вечными частицами», пока они заточены в ядрахатомов; свободные нейтроны подвержены самопроизвольному распаду). Протоны инейтроны имеют общее название нуклоны (от латинского нуклеус — ядро). Со времен Ньютона и Лейбница под понятием «элементарнаячастица» подразумевался бесструктурный точечный объект. По мере накоплениязнаний о природе материи на протяжении только последних ста лет элементарнымичастицами считали сначала атомы, потом ядра, адроны. К 60-м годам нашего векачисло элементарных частиц достигло сотни. Возникли сомнения в их«элементарности». Казалось, что природа не может быть стольрасточительной. Все разнообразие этих частиц попытались объяснить наличиемменьшего количества унифицированных элементарных объектов. На современномуровне знаний элементарными считают 12 частиц и 12 античастиц или, как говорят,ароматов, а также 12 переносчиков взаимодействий. Все элементарные частицы — фермионы (их спин s=1/2ħ), а все переносчики взаимодействия – бозоны (s=1ħ).В свободном состоянии наблюдается только 6 (из 12) элементарных частиц. Это — лептоны: электрон e-, мюон μ-, таон τ-,нейтрино электронное νe, нейтрино мюонное νμ,и нейтрино таонное ντ. Антинейтрино и положительнозаряженные лептоны считаются античастицами. Лептоны — слабо взаимодействующиечастицы. Остальные 6 элементарных частиц — кварки — существуют только всвязанном состоянии. Это относится и к 6 антикваркам. Кварки и антикварки — частицы, обладающие сильным взаимодействием.

Кварковая теория

Решительно упроститьсистему элементарных частиц удалось М. Гелл-Ману. В середине 60-х годов онвыдвинул гипотезу, согласно которой адроны являются комбинацией более лёгкихчастиц – кварков, причём мезоны образованы парой кварк-антикварк, а барионы –тремя кварками. Кварки обладают дробным электрическим зарядом: +2/3 или -1/3заряда протона (соответственно, антикварки – -2/3 и +1/3) и спином 1/2.К80 годам «просвечивание» барионов потоками электронов или нейтриноподтвердило структурную неоднородность протонов и нейтронов – они рассеивалипадающие частицы так, как будто состояли из трёх отдельных мишеней. Хотяполучить отдельные кварки не удалось и к настоящему времени, никто уже несомневается в их существовании и справедливости Стандартной модели – такназывается кварковая теория вещества.Наш мир состоит из двух кварков –«верхнего» и «нижнего» — и двух лептонов – электрона иэлектронного нейтрино. В столкновениях ускоренных частиц высоких энергийрождаются два новых кварка – «странный» и «очарованный» идва лептона – имеющий электрический заряд мюон и мюонное нейтрино. При самыхвысоких энергиях сталкивающихся частиц, которые можно получить на современныхускорителях, появляются «истинный» и «красивый» (другойвариант названия t- и b-кварков –«вершинный» — topи «придонный» — bottom) кварки, заряженный тау-лептон и таонное нейтрино. Шесть разныхсостояний кварков называют ароматами.Кварки участвуют в особомтипе сильного взаимодействия, которое создаётся не двумя, а тремя разнымизарядами, или, как обычно говорят, кварки могут иметь один из трёх цветов.Цвет кварка никак не связан с ароматом — любой из кварков может иметь любойцвет.

Три разных цветапорождают поле, которое связывает кварки так тесно, что отделить один кварк отдвух других невозможно. Тройка кварков разных цветов и есть адрон. Теперьпонятен метафорический смысл слова «цвет» — человеческий глаз имееттри типа колбочек, различающих три цвета. Три одинаковых по интенсивности цветасоздают белый цвет. Часто говорят, что адроны существуют только в белыхкомбинациях.Но два цвета не могут создать белую комбинацию. Как жеобразуются мезоны? Антикварки обладают антицветом. Мезон сформирован паройкварк-антикварк, он бесцветен. Стабильных мезонов не бывает, их жизнь непревышает миллионных долей секунды.Перемешивая шесть кварков иантикварков в комбинациях по три и по два и учитывая лептоны, получаем почтивесь набор известных элементарных частиц.

Почти – потому что в этойтеории появляются глюоны — особые кванты сильного взаимодействия, определяемоготремя зарядами (цветами), связывающего кварки в адроны. Глюоны существуют вдевяти модификациях.Возникает вопрос – а что же дальше? Если мысоздадим более мощные ускорители, то получим следующую пару кварков и парулептонов – и так далее, как в сказке Андерсена «Горшок каши»? Неисключён, хотя и маловероятен, ещё один энергетический уровень,«населённый» своими кварками и лептонами, но больше их быть не может.

Слабое взаимодействиеи несохранение чётности при слабых взаимодействиях/>

Слабое взаимодействиеФизика признаёт существование четырёхфундаментальных взаимодействий – тяготения (гравитации), электромагнитных сил,сильного и слабого взаимодействий.Что есть слабое взаимодействие? Этосила, которая ничего не притягивает и ничего не отталкивает. Она превращаетодну частицу в другую. Если при этом выделяется энергия, то она должнавыразиться в каком-то действии на другие частицы. В данном случае она тратитсяна порождение новых частиц, которые разлетаются с большой скоростью.Историяслабого взаимодействия начинается в 30-е годы, когда Э. Ферми разрабатывалтеорию β-распада. Одиночный нейтрон,«вылущенный» из ядра, в среднем за 13,5 минут распадается на протон,электрон и антинейтрино. Нейтрон, заключённый в ядре, не распадается. Для того, чтобы объяснить это явление, приходится вводить особуюсилу – гравитация, электричество и сильное взаимодействие тут не при чём. Естьпроцессы распада частиц, определяемых сильным взаимодействием, но они протекаютза 10-23 сек;распады, обусловленные электромагнитным действием, протекают в тысячу размедленнее.Чудовищная длительность квантовых процессов — от миллионныхдолей секунды и более — подразумевает наличие очень слабых сил, отсюда иназвание. Слабое поле действует на расстояниях гораздо меньших, чем сильное.Характерной особенностью слабых процессов будем считать распад частицы на трикомпонента, а не на два. Сейчас мы знаем, что сначала частица распадается надве, одна из которых является квантом слабого поля, а потом этот квантраспадается ещё на две.Некоторые частицы способныучаствовать в сильном взаимодействии, некоторые – в электромагнитном; слабоевзаимодействие, возможно, характерно для всех известных на сей моментфермионов. Оно может менять ароматы кварков, превращая, например, u-кваркв d-кварки наоборот, или аналоги ароматов у лептонов, делая из электрона нейтрино инаоборот.Несохранениечётности в слабых взаимодействиях Интуитивно понятно, чтофизические законы справа от наблюдателя должны выполнятся в точности так же,как и слева. В физическом мире царит симметрия. Так же очевидно, что все физическиепроцессы, связанные с положительными электрическими зарядами, должны бытьаналогичны процессам, связанным с зарядами отрицательными, т. е., если всюдупоменять плюс на минус и наоборот, наш мир не должен измениться. Для любойчастицы известна античастица (для нейтральных, например, нейтрона и нейтрино –тоже). Самое загадочное и интригующее свойство слабых взаимодействий – то, чтодля частиц связанные с ним процессы протекают чуть-чуть иначе, чем дляантичастиц. Например, нейтральная частица К0L может распадаться с образованием либоэлектрона, либо позитрона по схемам К0L → е+ + π-+ νе и К0L → е- + π++ νе, однако первый процесс протекает почти в одну и семьтысячных раз чаще, чем второй. Симметрия нарушена совсем незначительно, новполне достоверно. Следует подчеркнуть, что симметрия (назовём чётностьюнекоторые типы симетрий), нарушается только в процессах слабого взаимодействия– может быть, всех. Считается, что подобного лёгкого нарушения оказалосьдостаточно. В начале мира, в первые секунды после Большого взрыва, превращения,связанные со слабой силой привели к тому, что частиц стало на несколькомиллионных больше, чем античастиц.

Электрослабое поле и перспективыВеликого Объединения

До середины XIX в. физики знали две самостоятельныхсилы — электричество и магнетизм. Позже оказалось, что это два проявленияединой сущности – электромагнитного поля. Изменение электрической силыпорождает силу магнитную, и наоборот.

Пока два заряда покоятся,между ними возникает электрическая сила притяжения-отталкивания, а когда ониначинают двигаться, появляется магнитная сила.Абдус Салам в конце 50-хгодов пришёл к мысли, что электромагнитное и слабое взаимодействия также естьпроявление некоторой общей силы, которая получила название электрослабой.«Общая» электрослабая сила, точнее кванты электрослабого поля, существует при очень высоких энергиях и в нашем мире распадаютсяна кванты электромагнитного поля и слабого взаимодействия.

Теория объединения двухсил была создана в 60-е годы, а экспериментальные доказательства существованиявсего набора предсказанных квантов слабого поля – тяжёлых векторных бозонов– были получены на самых мощных ускорителях в 80-е годы. Кванты поля,разрушающего единство электрических и слабых сил – бозоны Хиггса – не обнаружены и понастоящее время, но мало кто сомневается в их существовании./>Следующий шаг – объединение сильного иэлектрослабого взаимодействий. Соответствующая торияполучила название Великого объединения.Она разрабатывается силами многих теоретиков начиная с 70-х годов.

Эта теория не может бытьпроверена экспериментально – человеческие руки не в силах создать ускорителитой мощности, при которой возможно получить искомые частицы – участникиобъединённого взаимодействия.Однако возможна косвенная проверка Великогообъединения.

Теория предсказываетналичие сил, способных превращать кварки в лептоны. В таком случае возможенсамопроизвольный распад протона на позитрон и пион.За год должен распадаться в среднем один из 1032 протонов.Современная техника в принципе позволяет пронаблюдать такое явление. Очевидно,в скором времени физикам удастся таким образом подтвердить или опровергнутьтеорию Великого объединения.

Открытие Ганом иШтрассманом распада урана с образованием лёгких осколков. Получение нептуния иплутония. Германский ядерный проект/>

Получение нептуния иплутония. В 30-х годах появились ускорители, увеличившие мощность бомбардировокядра заряженными частицами в сотни раз. В 1940 — 1942 гг. Г. Сиборг, Э. М. Макмилан, Дж.Кеннеди и А. Валь получили новые, трансурановые элементы – нептуний и плутоний,которых в природе практически не существует. Разогнанные на ускорителе ядрадейтерия, направленные на мишень из урана, пробивали броню электростатическогоотталкивания и поглощались ядром, заряд которого увеличивался на единицу – таквозникал нептуний, новый элемент с периодом полураспада чуть более двух суток.В процессе β-распаданейтрон нептуния превращался в протон, заряд ядра увеличивался ещё на единицу,и возникал сравнительно стабильный изотоп плутония с периодом полураспада 88лет./> Открытие Ганом и Штрассманом распада урана с образованиемлёгких осколков. Во всех этих процессах ядро захватывало или теряло частицу именяло заряд на одну-две единицы. И физикидобаловались — вдруг, совершенно неожиданно, ядро урана развалилось на двеполовинки. Никто из теоретиков этого не ожидал. В опытах О. Гана и Ф. Штрасмана вместо соседей урана по таблице Менделеева былсинтезирован барий – крупный черепок разбитого вдребезги ядра урана. Это привелок самому драматическому событию в двухтысячелетнейистории физики – созданию атомной бомбы./> Теоретическиемодели ядра (не знаю надо это или нет) В 30-годы Гамов, Бор, Уиллер (США) иФренкель (СССР) делают первые наброски теории строения ядра, получившиеназвание «капельная теория». Мелкие капли круглые. Шар – геометрическая фигура,обладающая минимальной поверхностью при заданном объёме. Молекулы жидкости,находящейся на поверхности раздела двух сред, притягиваются внутрь. Этоприводит к тому, что количество молекул на поверхности становится минимальным.Физики говорят о силе поверхностного натяжения, выравнивающей неровности наповерхности жидкости. Вода обладает большой силой поверхностного натяжения,спирт – меньшей, медицинский эфир (этиловый эфир) – ещё меньшей.Ядерные силынеизмеримо мощнее сил молекулярного притяжения и должны были бы образоватьидеально шаровидное ядро, но количество частиц в нём слишком ограничено. Крометого, нуклоны не одинаковы – между протонами действует отталкивающая сила. Всёэто приводит к тому, что ядро может быть не сферическим, а вытянутым вроде дыниили сплющенным, как тыква. Почему ядро не может быть очень большим? Сильнаясила действует на сверхмалых расстояниях, притягивает только ближайшие нуклоны(протоны и нейтроны). Вместе с силами притяжения на протоны ядра действует силаотталкивания одноименных зарядов, которая сравнительно мало убывает срасстоянием. Следовательно, при увеличении количества протонов в ядре силыотталкивания увеличиваются, а силы притяжения не растут. Ядро становитсянестабильным, испускает α-частицу и, избавившись от избыточного положительногозаряда, делается более устойчивым и компактным. Очевидно, что ядро, поверхностькоторого является более близкой к сферической, должнобыть и более устойчивым. Почему ядро не может состоять из одних нейтронов иувеличиваться не разрушаясь? Капельная модель – классическая модель, неиспользующая квантово-волновые свойства ядерных частиц. Ей на смену приходитоболочечная модель, предложенная впервые Бартлетом иразвитая М. Гёпперт-Майер и Х. Йенсеном.Согласно ей протоны и нейтроны образуют ансамбль стоячих волн, организованныхподобно электронным оболочкам боровского атома. Паранейтрон-нейтрон в силу запрета Паули может существовать только при противоположноориентированных спинах, что уменьшает энергию связи. Поэтому один из нейтроновпревратится в протон путём β-распада и образуется более прочная конструкция. Протоны инейтроны заполняют оболочки, располагаясь на них в определённом количестве вразрешённых комбинациях. В 50-е годы Оге Бор (сынНильса Бора) и Б. Моттельсон разрабатываютколлективную модель ядра, согласно которой на поверхности ядра (наружнойоболочке) и образуются волны и квантовые переходы, сопровождающиеся излучениемили поглощением гамма-излучения и радиоактивным распадом.Германский ядерныйпроект.Нацистская Германия обладала реальной возможностью создать бомбу – онаобладала огромными людскими, материальными и интеллектуальными ресурсами. Надатомным проектом Германии (руководитель К. фон Вайцзеккер)работали Гейзенберг и Ган. Среди причин, по которымГермания не успела стать обладательницей ядерного оружия, можно назвать какполитические (недооценка его значения Гитлером и, как следствие, недостатокфинансирования), так и научно-технические. Немецкие физики пришли к ошибочномузаключению, что использование графита в качестве замедлителя нейтроновбесперспективно и попытались использовать для этой цели тяжёлую воду.Единственный в мире завод по производству тяжелой воды (в Норвегии) былуничтожен налётами авиации союзников и диверсиями бойцов Сопротивления. Большойзапас тяжёлой воды, находившийся в научно-исследовательских институтах Франции,уже во время оккупации Ф. Жолио-Кюри тайнопереправил в Англию. В результате немецким физикам так и не удалось запуститьядерный реактор.

Термоядерная энергия иперспективы её мирного использования

Источником энергии,лишённым недостатков ТЭС, ГЭС и АЭС, является превращение тяжёлого водорода вгелий. Плюсы – неисчерпаемость сырья (в кружке воды столько же потенциальнойэнергии, сколько в бочке бензина) и отсутствие вредных отходов на любой стадиипроизводственного цикла. Минусы, возможно, появятся, когда появится самтермоядерный реактор. По последним прогнозам, время появления экономическивыгодного промышленного термоядерного реактора – 2030 – 2050 гг.В чёмтехническая сложность задачи? Чтобы сблизить ядра дейтерия и трития (таковсостав горючего в современных экспериментальных установках) до расстояния, накотором сильное взаимодействие будет значимым, нужно придать им энергию дляпреодоления электрических сил отталкивания одноименных зарядов. Реально этоозначает нагрев горючего до 10-20 миллионов градусов, удержание его при такойтемпературе и отвод тепла. Первые работы по созданию термоядерного реакторабыли начаты в СССР под руководством Курчатова. Конструкция, которую предложилисоветские инженеры, предусматривала разогрев и удержание кольцевидного шнурагорячей дейтериево-тритиевой плазмы в сверхмощноммагнитном поле. Её назвали токамак – тороидальная камера с магнитной катушкой.Тор — это геометрическая фигура, напоминающая бублик. Внутри бублика мощноемагнитное поле должно удерживать плазменный шнур, нагретый до несколькихмиллионов градусов. Однако только к концу ХХ века были построены (уже не внашей стране) токамаки с нулевым КПД, т.е, выделяющие столько энергии, сколько они потребляют. Внастоящее разработка нового поколения токамаковведётся в рамках инициированного Советским Союзом международного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) и в США.Несколько позже токамака было предложено иноерешение проблемы – нагрев микроскопических доз термоядерного горючего с помощьюсверхмощных лазеров, однако работы в этом направлении пока менее успешны, чемдоводка токамаков.

Зависимость ядернойэнергии от количества нуклонов в ядре/>

В стабильных ядрахколичество протонов и нейтронов у лёгких элементов приблизительно одинаково; сувеличением заряда ядра относительное количество нейтронов возрастает до полуторау трансуранов.Итак, в ядерные оболочки формируются определённымколичеством протонов и нейтронов. Опыты Ферми показали, что если подбрасывать вядро лишние нейтроны, то в результате β-распада их излишки превращаются в протоны. Избыточноеколичество протонов может порождать обратный процесс – превращаться в нейтроныс испусканием позитрона (этот тип радиоактивного распада был открыт супругами Жолио-Кюри в 1934 г.).Теория ядра очень далека отзавершения, однако имеющиеся в настоящий моментданные чрезвычайно важны. Для понимания технических и астрофизических процессовглавное – знать энергетический выход реакций распада и синтеза ядер.Еслик протону добавить нейтрон, то частицы прилипнут друг к другу подобно кусочкаммагнита и при этом выделится энергия — например, в виде гамма-кванта, иполучится дейтон — ядро тяжёлого стабильного изотопаводорода дейтерия. Добавим ещё один нейтрон и снова получим выходполезной энергии, однако новый изотоп водорода – тритий – нестабилен ив процессе β-распадапревращается в легкий изотоп гелия – 3Не.Добавляятаким образом нуклоны в ядро, получаем где больший, где меньший, но обычноположительный выход энергии – и так до того момента, когда силы отталкивания нестанут превышать силы притяжения. Самое тяжёлое ядро, синтез которого идёт свыделением энергии – это ядро железа, более тяжелые элементы энергетическивыгоднее разрушить. Легко определить, что синтез лёгких элементов – и прежде всего гелия – из ещё более лёгких даст большеэнергии, чем расщепление тяжёлых элементов, включая даже уран.Однакотехнически расщепление урана оказывается более простой задачей.

Образование звёзд,водородная стадия горения

Основа межзвёздноговещества – водород и гелий. По причинам, которые пока не ясны, разбросанное воВселенной космическое вещество образовало местные скопления и неоднородности.Под влиянием сил тяготения локальные скопления газа уплотнялись, уплотняясь –нагревались. Тепловое излучение и свет не могли выходить из горячегоионизированного газового облака, нагрев увеличивался, и когда температурасжатого газа достигла десятка миллионов градусов, начались первые термоядерныереакции – превращение водорода в гелий.Ядро гелия состоит из двухпротонов и двух нейтронов, ядро водорода – из одного протона. Однако при оченьвысоких температурах возможны реакции слабого взаимодействия – при столкновениидвух протонов один из них превращается в нейтрон и образуется дейтерий (D) посхеме: p+ p= D+ e++ νПереднами – реакция слабого взаимодействия, процесса медленного. Осуществляется онаисключительно редко, в одном случае на 1028 столкновений. Слабыесилы действуют на очень коротких расстояниях, а чтобы сблизить протоны,преодолеть силы электростатического отталкивания, необходимо получить оченьбольшие начальные скорости сталкивающихся частиц. Следовательно, протонный газдолжен иметь очень высокую температуру. Но вот дейтерий получен. Столкновениеядер дейтерия (при звёздных температурах) приводит к их слиянию без превращениячастиц друг в друга, под действием только “быстрого”сильного взаимодействия,поэтому дейтерий тут же превращается либо в тритий, либо в лёгкий изотопгелия-3. Каждый из них так же шустро реагирует с дейтерием с образованиемгелия-4. Исключительно медленная реакция слабого взаимодействия – причина того,что на водородной стадии горения звезда стабильно существует миллиарды лет.Правда, очень массивные, следовательно, очень горячие звёзды сгорают быстрее,за десятки или сотни миллионов лет – чем выше температура и давление, тем чащепроисходят столкновения протонов, но большинство звёзд во Вселенной относятся кдолгожителям. Наше Солнце горит 5 млрд. лет и это процесс продлится ещё около 8– 10 млрд. лет.

Красные гиганты ибелые карлики/>

Рано или поздно, норесурсы водорода будут исчерпаны, а в недрах звезды накопится много гелия.Остатки водорода всплывут на поверхность, термоядерные реакции станутпроисходить не в ядре, а на периферии, и, вследствие высоких температур,давления частиц и света, диаметр звезды сильно увеличится. Самые же наружныеслои звёздной атмосферы будут очень удалены от ядра и станут сравнительнохолодными. Такие звёзды называются красными гигантами. На этой стадии нашеСолнце раздуется до размеров, превышающих диаметр земной орбиты, его наружныеслои остынут приблизительно до 3 тыс. градусов.После того, как выгорити этот водород, огромная масса остывающей гелиевой плазмы начинает сжиматься икрасный гигант превращается в белый карлик. Если раньше сжатиюпрепятствовали силы, возникающие в ходе ядерного синтеза, то теперь гравитациябеспрепятственно ломает электронные оболочки атомов, создавая новую физическуюформу вещества – плотно упакованную смесь ядер и обобщённых электронов, вырожденныйгаз, один кубический сантиметр которого весит от нескольких сотенкилограммов до нескольких тонн. Ближайший к нам белый карлик – Сириус В – имеетмассу 0,95 солнечной при диаметре 10 800 км (диаметр Земли – 12 700км).В результате сжатия белый карлик имеет высокую поверхностнуютемпературу, (Сириус В, например – 32 000°, приблизительно в шесть раз горячееСолнца), но, из-за малой удельной поверхности, терять тепло он может оченьмедленно и поэтому Солнце, превратившееся в белый карлик, будет остыватьдесятки миллиардов лет, пока не превратится в холодный чёрный карлик.Однако в нашей молодой Вселенной чёрные карлики уже есть – ближайшая к намзвезда такого типа находится в созвездии Гидры и светит уже в основном вобласти невидимого для глаза теплового излучения.Белым карликам смассой, превышающей 1,4 солнечной, не суждено превратиться в чёрные карлики.Сжатие разогревает их недра, и когда температура превысит 200 млн. градусов,там начинает гореть гелий, превращаясь в углерод. После исчерпания запасовгелия углерод начнёт превращаться в кислород и неон, при достижении 600 млн.градусов кислород и неон превращаются в кремний, и так далее. Цикл ядерныйсинтез – завершение синтеза – сжатие – повышение температуры – новый ядерныйсинтез будет продолжаться, пока внутренняя температура не достигнет триллионаградусов и вещество звезды не догорит до железа. Это – последний этаптермоядерного синтеза, последнее усилие, противостоящее гравитационному сжатию.

Нейтронные звёзды ивспышки Сверхновых/>

Далее уплотнение звездыпроисходит мгновенно, со скоростью звука — а скорость звука тем больше, чембольше плотность среды. Сжатие приводит колоссальному выделению энергии –вспышке Сверхновой звезды, на какое-то время излучение звезды сравнимо сизлучением галактики. Если при превращении водорода в гелий в энергию переходитоколо 1% релятивистской массы водорода, то в процессе обрушивания звезды внутрьсамой себя — до 10%.Ударная волна этого взрыва, действуя на межзвёздный газ,порождает ускоренные протоны космических лучей.Размётанные взрывомпериферические слои звезды разлетаются с огромной скоростью – порядка тысячикилометров в секунду. Так рождается космическая пыль, содержащая тяжёлыеэлементы – вплоть до трансуранов. В дальнейшем она входит в состав звёзд ипланетных систем. Звёзды первого поколения, образующие «толстый диск»нашей Галактики, очень бедны элементами тяжелее гелия. Более молодые звёзды, втом числе и наше Солнце, захватили значительное количество космической пыли вмомент своего образования. В исходном газопылевом облаке, породившем Солнечнуюсистему, было около 5% вещества, изверженного когда-то Сверхновой. Земля и еёобитатели – это шлак сгоревшей звезды второго поколения, вещество, возникшее внедрах массивного светила в ходе ядерного синтеза после сгорания водорода игелия.То, что осталось от звезды после взрыва – это сверхплотноевещество, состоящее большей частью из нейтронов. Диаметр нейтронной звездыпорядка 10 км. Инерция сравнительно медленного (если оценивать угловуюскорость) вращения исходной звезды должна сохранится. Вспомните, как быстроначинает вращаться фигурист, когда он сгруппируется. «Сгруппировавшаяся»нейтронная звезда крутится с невероятной скоростью – время полного оборотапорядка от секунд до сотых долей секунды. Вследствие такого вращения онаприобретает магнитное поле в триллионы раз более мощное, чем магнитное полеЗемли.

Черные дыры и квазары

Нейтронная звезда смассой более трёх масс Солнца не вечна. Она довольно быстро остынет ипревратится в чёрную дыру.Как известно, масса искривляет окружающеепространство-время. Огромные компактные массы способны искривить его настолько,что оно замкнётся само на себя, образовав пространственно-временной пузырь,собственную замкнутую Вселенную внутри нашей Вселенной.Чёрная дырапоглощает вещество извне, но ничего не выпускает изнутри.Менее всегообоснована гипотеза перехода массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Какотличить невидимую чёрную дыру от невидимой же нейтронной звезды? Если массаобъекта составляет 2-3 солнечных массы, то это почти наверняка не чёрная дыра.Наиболее вероятный кандидат в чёрные дыры – звезда Лебедь-Х имеет массу, болеечем в 5 раз превышающую солнечную.В 60-е годы был совершенно неожиданнооткрыт новый класс космических объектов – рентгеновские пульсары –рентгеновские источники, которые «мигают» с очень постоянной частотой от секунддо сотых долей секунды. Оказалось, что излучение в рентгеновском диапазоне этоособенность компактных объектов – нейтронных звёзд и чёрных дыр. Правда,не все компактные объекты дают рентгеновское излучение, а только те, которыевходят в состав двойных звёзд или находятся в плотных облаках межзвёздного газаи пыли – рентгеновские кванты испускает вещество, падающее на поверхностьнейтронной звезды или в чёрную дыру (у которой нет поверхности)./>Ещё более неожиданным было открытие квазаров. Когда в 30-е годы – время бурногоразвития коротковолновой радиосвязи, встала проблема защиты передачи от помех,инженерам удалось грубо определить стабильные источники помех. В частности, имиоказались определённые участки звёздного неба. Астрофизики не могли принять этовсерьёз, и вот по какой причине: получалось, что радиоизлучение от неведомыхкосмических объектов было в тысячи раз сильнее, чем радиоизлучение Солнца.Самые крупные космические тела – звёзды. Самая близкая к Земле звезда находитсяв четырёх световых годах от нас, а Солнце – на расстоянии 8 световых минут. Энергияэлектромагнитных колебаний убывает пропорционально квадрату расстояния. Такимобразом, будь радиоисточник даже ближайшей звездой, он должен излучатьприблизительно в сто триллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Когда в начале50-х годов появились первые радиотелескопы, источники радиоизлучения удалоськартировать точнее. Несколько удалённых радиотелескопов можно соединить вединую сеть и получить разрешение не менее (или более) детальное, чем у лучшегосветового телескопа. С развитием техники наблюдений космические радиооблакастягивались в точки, и, наконец, их стало возможно привязать к светящимсяобъектам. Спектр этих объектов оказался совершенно необычным: привычные линииводорода были смещены в красную область почти на треть. Это означало, чторадиоисточники находились не просто далеко, а исключительно далеко, нарасстоянии миллиардов световых лет от Земли. Оптические снимки ближайших из нихпоказали вытянутые структуры, которые первоначально были названырадиогалактиками. Теперь мы знаем, что это воронки газа и космической пыли,падающие на сравнительно малый объект – не больше нашей солнечной системы.Длина этих газопылевых рукавов порядка сотни тысяч световых лет. Газовые вихри,разогреваясь, излучают в радиодиапазоне. Центральное массивное тело получилоназвание квазар. Квазар – это не звезда, не галактика. Наиболеераспространённая гипотеза – квазар это огромная чёрная дыра, возникшая на местеядра галактики, звёзды ядра провалились в эту дыру. Не все квазары являютсяактивными радиоисточниками, некоторые почти молчат в радиодиапазоне. Однако влюбом случае квазары являются самыми мощными источниками энергии во Вселенной.Притягивая и разгоняя звёзды и газ, они заставляют их генерироватьэлектромагнитные волны в самых разных диапазонах. Чёрные дыры, не обязательнотакие массивные, как квазары, находятся в центре многих, если не всех,галактик. Предположительно, чёрная дыра массой порядка миллиона солнечных, естьи в центре нашей галактики — Млечного пути. Центральные части галактическогодиска закрыты таким количеством космической пыли, что надёжно проверить этугипотезу пока не удаётся.

Галактики, скоплениягалактик и крупномасштабная структура Вселенной

Не так давно словом«галактика» обозначалась крупная звёздная система. Помимо звёзд в нейсуществует межзвёздный газ и космическая пыль. Галактики различались по форме –делились на спиральные, шаровые, эллиптические и прочие.В настоящеевремя представления о галактиках решительно меняются. Звёзды, газ и пыль – то,что далее будем называть «видимое вещество» – составляют незначительную долю отобщей массы галактики. Основным в ней является «тёмное вещество». «Тёмноевещество» существует, но мы не знаем, что это такое.Ограничимся обзоромнаиболее изученных галактик вроде той, в которой обитаем мы, а именно — спиральных.Спиральные галактики обычно имеют два рукава – изогнутые зонынаибольшего скопления звёзд.Если смотреть на спираль в профиль, то онапредстанет в виде полоски с шаровидным утолщением в центре – балджем. Понятия«балдж» и «ядро галактики» во многом совпадают. В центре балджа находитсячёрная дыра порядка сотни тысяч солнечных масс и более. Масса чёрной дырысвязана с размерами балджа. И, наконец, галактику окружает сферическое галоиз звёздных скоплениий более низкого порядка.По самой оси балджа расположенымолодые горячие звёзды. Газ и пыль здесь неоднородны, образуют значительныескопления, особенно плотные в рукавах. В этих скоплениях приблизительно одновременновозникает множество звёзд. Процессы образования новых звёзд продолжаются здесьдо сих пор.Межзвёздный газ охлаждается за счёт излучения и смещается кцентру галактики, где излучение чёрной дыры балджа (точнее, вещества, падающегона чёрную дыру) вновь его нагревает. Галактический газ образует холодные струи,направленные к «нагревателю» — центру галактики и горячие струи, уходящие кпериферии. Эллиптические галактики, в отличие от спиральных,представляют из себя один огромный балдж.Соответственно этому, чёрнаядыра в его центре в тысячи раз массивней тех, что находятся в центрахспиральных галактик. Вещество – газ и пыль, падая на чёрную дыру, порождаютизлучение в самых разных диапазонах. Считается, что квазары — это светящиесядиски газа, засасыва-емого массивной чёрной дырой ядра галактики. Жизнь ядрагалактики может быть очень активной, иногда оно взрывается с выделениемэнергии, в миллионы раз превышающей энергию вспышек сверхновых. В пересечённыхспиральных галактиках падающее на центральную чёрную дыру вещество образуетэллиптическую воронку – «бар»; рукава галактики выходят не из балджа, а избара.В спиралях формируются отдельные плотные скопления звёзд, хорошозаметные на фотографиях ближних галактик, а также скопления газа и пыли. В целомприходится признавать, что видимое вещество в галактиках распределено крайненеодно-родно.Галактика значительно шире узкого диска ярких звёзд.Старые красные звёзды образуют слабо светящуюся «шубу» кнаружи от яркого диска,образованного более молодыми звёздами. Она получила название «толстыйдиск».Крупные галактики часто имеют мелкие галактики-спутники.Таковыми для нашей Галактики являются Большое и Малое Магеллановы облака.Галактики образуют скопления. В Местном скоплении галактик нашим ближайшим соседомявляется Туманность Андромеды.В целом скопления галактик образуютячеистую структуру. Внутри ячеек пространство практически пусто.Галактики,как и звёзды, имеют свою историю, изучение которой только начинается.Считается, что первичные галактики, сформировавшиеся в первые сотни миллионовлет после Большого Взрыва, были карликовыми. В настоящее время, когда телескопыи другие астрофизические приборы стало возможным вывести в космос, астрономывпервые смогли увидеть очень далёкие галактики, свет от которых пришёл к намболее чем за 10 млрд. лет, то есть звёздное население очень ранней Вселенной. В2004 г. благодаря новому оборудованию на телескопе «Хаббл» были получены снимкиобъектов в момент, соответствующий приблизительно 0,5 млрд. лет после БольшогоВзрыва. Первая из «древних» галактик, которую удалось сфотографировать такимобразом, в 200 раз меньше нашей нынешней.

Строение земной коры.Астеносфера, мантия, ядро

Во-первых, земная корапринципиально неоднородной. Тонкая океаническая кора двуслойна,состоит из поверхностного чехла осадочных пород, накрывающих базальты,тогда как толстая материковая кора трёхслойна – под осадочнымипородами находится мощный слой гранитов, подстилаемый базальтами.Базальты несколько тяжелее гранитов, поэтому их «естественное место»- под гранитами. Вещество, из которого образовалась Земля,по-видимому, первоначально было относительно однородным. В дальнейшем болеетяжёлые элементы мигрировали вниз, более лёгкие – наверх. Этот процесспродолжается сейчас и будет протекать ещё не менее миллиарда лет.Подкорой находится слой глубинного вещества, нагретого до температуры свыше 1000°С и находящегося в состоянии, близком к плавлению – астеносфера.Своей механической и фазовой неустойчивостью астеносфера отличается от более прочной,но пронизанной разломами мантии, лежащей под астеносферой. Зонаперехода астеносферы в литосферу называется зоной Мохоровичича («зона Мохо»,ударение на второе «о»). Она прослеживается на глубине 15 – 20 км подокеанами и 40-80 км – под материками.Но есть места, где океаническаякора исключительно тонка и гоячая астеносфера выходит к самой её поверхности,формируя серединно-океанические хребты. Оказалось, что Землюопоясывает непрерывная цепь горных хребтов, протянувшаяся на 80 тыс. км, чтовдвое превышает длину экватора. У края континентов, могут формироваться глубоководныежелоба, где, наоборот, океаническая кора может уходить глубоко вниз.??? Основнаяидея «раннего мобилизма» была следующей – горячая астеносфера в зонесерединно-океанических хребтов изливается наружу, выплавляя новую океаническуюкору. Океанические базальты медленно движутся от места своего образования кматерикам, где ломаются и косо погружаются на глубины порядка сотен километров,где вновь расплавляются и смешиваются с веществом мантии. Будем считать, чтобазальты – исходные породы, которые возникают из вещества астеносферы. В техместах, где океаническая плита коробится и частично плавится, более лёгкиекомпоненты базальтов превращаются в гранит и формируют новые участкиматериковой коры.Что касается дрейфа океанической коры, то здесь вседоказательства налицо. Во-первых, в зонах разломов океанического дна,сопровождающих серединно-океанические хребты, происходит излияниерасплавленного вещества сопровождаемое выбросом в воду большого количествасероводорода, и, как следствие, окрашивающего воду в чёрный цвет. Эти местаполучили название «чёрных курильщиков».Во-вторых, осадочный слой усерединно-океанических хребтов очень тонок и молод. Чем дальше к материкам, темон, как правило, толще и старше и почти никогда не бывает древнее 200 млн. лет.В-третьих, намагниченность пород базальтового слоя показывает полноесходство с теорией. Дело в том, что металлические руды намагничены так, какбыли сориентированы магнитные силовые линии Земли в момент их кристаллизации.Но магнитные полюса медленно перемещаются, а также с периодом порядка миллионалет меняют своё направление на противоположное. Если образование новыхбазальтов происходило постоянно, то самые молодые должны быть намагничены «наполюс», те, что дальше от оси хребта – противоположным образом, те, что ещедальше – по современным им направлениям полюсов.В-четвёртых, в местахпредполагаемого подползания океанической плиты под материковую с нёё долженсоскребаться верхний слой, происходить нагрев и расплавление базальтов. Еслипосмотреть на карту Тихого океана, легко заметить цепочки вулканическихостровов, формирующих Огненный пояс.В-пятых, в настоящее время методамиспутниковой навигации доказано движение континентальных плит со скоростяминесколько сантиметров в год.Движется не только океаническая кора.Материки тоже могут раскалываться. Зона разлома и в море, и на суше называется рифтом,а засыпаемый осадками провал — грабеном (хотя не все делают различиемежду этими терминами. Рифт — это огромная, обычно прямолинейная трещина,простирающаяся на сотни километров. Собственно зона расширения, не ров, аначальная точка расхождения плит, носит название зоны спрединга(spread — англ. растяжение, расширение). Классический пример рифтогенеза –наблюдающийся в настоящее время раскол африканского материка.Долгоевремя одним из самых употребимых слов в общей геологии были термины "платформа"и "геосинклиналь". Платформа — это тектонические коснаячасть коры, нечто лишённое или почти лишённое изменчивости. Геосинклинальныезоны по краям платформ, наоборот, коробятся, вздымаются, опускаются, трескаются- находятся в непрерывном движении. Откуда берётся чудовищная сила, разрывающаяна части Африку или дно Атлантического океана? Ясно, что недра Земли горячие,но что их нагревает? Современная геофизика рассматривает вопрос о дифференциациивещества как основном источнике энергии. Земля образовалась около 4,6млрд. лет назад из относительно однородного вещества, вобрав в себя огромноеколичество метеоритных тел. Далее тяжёлые элементы медленно опускались вниз, кцентру планеты, а лёгкие всплывали наверх. Эти процессы протекали и протекаютпоныне с выделением тепловой энергии, которая приводит к разогреву недр. Будемсчитать, что через 2 миллиарда лет после образования Земли внутри неёоформилось тяжёлое ядро, предположительно состоящее из железа. Приблизительно кэтому времени на поверхности Земли появились лёгкие блоки, содержащие большекремния и алюминия, но меньше магния, чем подстилающая их мантия. Они послужилиядрами формирования будущих континентов. Период ускоренного роста материковыхплит заканчивается около полутора миллиардов лет назад. К настоящему временисравнительно надёжно установлено, что внутри Земли имеется тяжёлое твёрдоеядро. Его окружает слой жидкого вещества нижней мантии. Средняя и верхняямантия в целом являются твёрдыми, хотя в них могут двигаться струи болеегорячего вещества. Предполагается, что мантия приблизительно однородна посвоему химическому составу, хотя наверняка разные её слои различаются поструктуре.

Причины движения материков

Твёрдое вещество можетбыть кристаллическим, а может и аморфным, медленно меняющим свою форму подвлиянием некоторого постоянного давления.Вещество мантии также аморфно,но, кроме того, разбито трещинами и неодинаково нагрето. Будем считать, что вжидкой оболочке ядра мантия теряет тяжелые атомы железа, никеля и им подобныхэлементов, которые оседают на твёрдое ядро. При их падении выделяется тепловаяэнергия. Облегчённые и разогретые слои мантии поднимаются вверх, уступая местоболее тяжёлым и холодным.Итак, движение мантии можно представить какдвижение очень вязкой жидкости под действием локального нагрева снизу. Этоконвективное движение, обычное для более тёплых слоёв жидкости и газа, можнопронаблюдать в туристическом котелке, где кипятят воду, содержащую мелкиевзвешенные частицы. Они поднимаются вверх от центра вместе со струями горячейтёплой воды, движутся к стенкам, где вода охлаждается, становится тяжелее,опускается и течёт к центру, замещая поднимающуюся тёплую воду.Нагреваяводу на костре или конфорке газовой плиты, можно добиться того, что столбподнимающейся воды будет один (см. схему). Назовём весь объём воды, вовлечённыйв движение этой единственной восходящёй струёй, конвективной ячейкой.В 70-е годы акад. Сорохтин разработал гипотезу, согласно которой на Земле спериодом около 200 млн. лет происходит смена циркуляции мантийного вещества — переход с двух конвективных ячеек к одной и обратно. Когда конвективная ячейкаявляется единственной, вынос тепла задерживается и в разогретых недрахформируется вторая ячейка (не всегда она направлена в противоположную сторону).С появлением второй ячейки мантия быстро остывает и возвращается к движению водной ячейке.В фазе с двумя конвективными ячейками на поверхности Землиидёт процесс горообразования, материки, под которыми возник столб восходящегогорячего мантийного вещества (плюм), раскалываются и между нимивозникает новый океан. В некоторых случаях в зоне рифта на поверхностьизливаются миллионы кубических километров лавы, формируя характерные ландшафты.Если ячейка одна, то материки собираются у столба погружающегося вещества,в зоне субдукции, так же, как предметы, плавающие в ванне, собираютсяу воронки слива. Тектоническая активность подавлена, горы разрушаются,выветриваются, материковые породы выносятся в океан и формируют обширныемелководные моря.Это чередование периодов горообразования итектонического покоя было известно геологам и раньше, их известно около 20.Ныне мы должны жить над мантией, циркулирующей в двух конвективных ячейках, впериод горообразования, который называется альпийским, а предыдущий – герцинским.Однако простые конвективные модели, вроде модели Сорохтина, ныне должныбыть серьёзно модифицированы. Методы сейсмического зондирования стали настолькосовершенными, что позволяют создать карту глубинных потоков разогретоговещества, и она оказывается гораздо более сложной, чем это представлялось 30лет назад.В первую очередь, это касактся включения в геодинамическуюкартину плюмов — локальных восходящих потоков, расположенных в сторонеот осей спрединга. Выход плюма к поверхности часто называют «горячейточкой». Классический пример плюма — «горячая точка»,формирующая Гавайские острова.Следует заметить также, что усложнилась иповерхностная мозаика континентальных плит. Если в 70-х годах геофизикиоперировали 6 основными плитами, то теперь их около 80.

Классическаятермодинамика: понятие энтропии и второе начало термодинамики

Термодинамика – судя поназванию – должна изучать потоки тепла. Первым важным шагом на этом пути былоисследование цикла Карно. Сади Карно опубликовал научный труд, вкотором он анализировал работу идеальной тепловой машины.Допустим,перед нами цилиндр с поршнем, наполненный холодным газом. Если газ нагреть, тоон, расширяясь, будет толкать поршень. Чтобы машина могла работать непрерывно,необходимо вернуть поршень назад и повторить цикл.

Для этого необходимо либовыбросить горячий газ и впустить в цилиндр новый, холодный (как это делается вдвигателе внутреннего сгорания), либо охладить прежний объём газа. В любомслучае нас ожидает пренеприятнейшая процедура – механик тратит дорогое топливо,чтобы нагреть газ, но часть полученного тепла он вынужден выбросить вокружающую среду, чтобы машина смогла совершить следующий цикл. Таким образом, никакаятепловая машина не может обладать стопроцентным КПД (коэффициент полезногодействия). Всю работу можно перевести в тепло, но не всё тепло – в работу.Реальный переход в современных тепловых машинах составляет 20-30%.Термодинамикакак наука оформилась позже, в 50 – 60-е годы XIX в., в трудах Клаузиуса, У.Томсона, Максвелла, Джоуля. Наиболее важным её понятием стала энтропия, разработаннаяКлаузиусом в 1865 г. и обозначаемая буквой S (ΔS=ΔQ/T, где ΔQ– тепло, переданное одним телом другому телу, а T – температура). Спомощью энтропии можно было вычислять направление потоков тепла. Оноопределяется фундаментальным принципом – вторым началом термодинамики,которое записывается так: ΔS≥ 0, что означает – энтропия не может уменьшаться. В частности,приняв этот постулат, можно доказать, что тепло никогда не перейдёт от менеенагретого тела к более нагретому – при этом уменьшилась бы энтропия.Закономерен вопрос – если есть второе начало термодинамики, то должно быть ипервое?

Первым началом являетсязакон сохранения энергии. Энтропия как мера хаоса В конце XIX в. ЛюдвигБольцман расширил границы термодинамики, введя новое определение энтропии: S= k ln W, где W – термодинамическая вероятность, k –постоянная Больцмана. Теперь второе начало из постулата превратилось в теорему,доказуемую методами теории вероятности. Теперь энтропию можно представлять какмеру хаоса, беспорядка, а второе начало термодинамики следует читать так: беспорядок(неупорядоченность) со временем способен только возрастать, упорядоченностьникогда не создаётся самопроизвольно.

Возникновение и эволюциюжизни на Земле всегда рассматривают как становление более сложного из болеепростого, а фундаментальный закон природы – второе начало термодинамики –запрещает подобные процессы.Долгое время физики и биологи старались не замечать этогопротиворечия.

В конце 40-х годов Э.Шрёдингер издал маленькую популярную книжку «Что такое жизнь с точкизрения физика», где попытался разрешить этот парадокс. В конечном счётеШрёдингер приходит к выводу, что живые организмы извлекают из окружающей средыотрицательную энтропию. Как? – посредством питания. С этим тезисом несогласится ни один физиолог.

Термодинамикаоткрытых систем

Второе началотермодинамики, безусловно, является абсолютным законом природы. Но в логическихпостроениях физиков от Карно до Шрёдингера есть брешь. Существует особый класстермодинамических систем – открытые системы – в которых возникаютлокальные условия для появления упорядоченности. Открытые системы ещё называют потоковыми– в них действительно существует поток как некоторая математическая абстракция,но ничто не мешает нам представить её в виде вещественного потока некоторойматерии или энергии.Представим себе классический резервуар, в которыйнечто вливается и из которого нечто выливается. Если энтропия того, чтовыливается больше, чем энтропия на входе, то что творится с энтропиейрезервуара? Она может понижаться, но так, чтобы её дефицит внутри покрывалсяприростом снаружи, на выходе.Второе начало термодинамики приводит квыравниванию температур и запрещает ситуацию, в которой два равномерно нагретыхтела поделили бы тепло так, что одному достался бы жар, а другому – холод.Однако холодильник на кухне работает, нагревает решётку сзади и охлаждаеткамеру внутри! За счёт чего? Термодинамически рассуждая, за счётразупорядочения потока, точнее – тока электрического, превращения направленногодвижения электронов (упорядоченность) в хаотическое движение молекул нагретогогаза (беспорядок). Грубо говоря, в выделенном месте можно создать умеренныйпорядок, если в другом сотворить большой беспорядок. Потоковые системы такогорода обычно называют диссипативными (лат. dissipatio — рассеяние) — вних происходит разупорядочивание энергетических процессов. Для них характерныбольшие различия начального и конечного состояний потока, это сильнонеравновесные системы.Внутри потоковой системы упорядоченностьможет возникать самопроизвольно. Представьте себе подушечку для иголок иобрывки ниток, оставшихся в ушках иголок. Они расположены хаотически. Мысленноподуйте на подушечку – и нитки расположатся упорядоченно, вдоль потока.Разумеется,термодинамика открытых систем работает не с подушечками, а с условиямиминимизации некоторых математических функций.А много ли порядка надодля возникновения жизни? Фон Нейман рассчитал, что система, способная создаватьсвоё подобие, проще говоря – размножаться, должна содержать не менее10 000 элементов. И всё. Отдельные горячие головы предложили дажечетвёртое начало термодинамики – «в сложной потоковой системе задостаточно большое время должна появиться жизнь». Разумеется, это уже незакон природы а декларация желаемого. Однако если в этой фразе слово«должна» заменить на «может», она будет выглядеть вполнепристойно.Обратим внимание на то, что здесь не оговаривается химизмсубстрата жизни. Есть позиция, остроумно названная «водно-углероднымшовинизмом», т. е. утверждение, что живое существует только в видеуглеродных соединений и только при наличии воды. Термодинамика этот тезисигнорирует.

Возникновениежизни на Земле: образование мономеров полимерных соединений

Известно, чтонаше тело состоит из жиров, белков и углеводов. Проще всего устроены углеводы.Из мономерных углеводов собираются полимеры вроде крахмала. Эти конструкциитакже очень просты. Жиры представляют из себя эфиры глицерина и жирных кислот.Они потенциально более разнообразны, чем сахара, но не полимеризуются. Белкиявляются полимерами аминокислот. В настоящее время земная жизнь создает длясвоих нужд около 20 аминокислот, хотя их может бы быть гораздо больше.Нуклеиновые кислоты образованы азотистыми основаниями — пиринами и пиримидинами,связанными с пятиатомными сахарами — рибозой или дезоксирибозой, а такжеостатками фосфорной кислоты. Это наиболее сложные молекулы, существующие в природе.Кирпичики жизни – моносахариды, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты,азотистые основания, имеющиеся в современной биосфере, имеют только биогенноепроисхождение. Это объясняется двумя причинами – практически любая органикаразлагается микроорганизмами до углекислого газа и воды, а кроме того, вкислородной атмосфере они термодинамически неустойчивы. В 50-е годы американцыЮри и Миллер провели очень важный эксперимент. В сосуде, содержавшем воду исмесь метана, аммиака, углекислоты и водяных паров, имитирующую исходную земнуюатмосферу, постоянно пропускали электрическую искру – она имитировала грозовойразряд и служила источником ультрафиолета. В результате через некоторое время вводе обнаруживались все кирпичики жизни – сахара, аминокислоты, жирные кислотыи азотистые основания, а кроме того – ряд других органических соединений,например, пиррольные кольца, являющиеся основой активного центра хлорофилла.Позже подобные вещества были найдены в космической пыли и в метеоритах. РаботаМиллера вызвала шквал исследований. «Кирпичики жизни» — мономерныеорганические соединения – удавалось получить при моделировании самых разныхпараметров первичного океана и атмосферы, задавая исходные температуры порядкаи 200° С в «сухой фазе» и минус 50 — 60° на поверхности льда,варьируя парциальное давление и ионизацию газов первичной атмосферы, вприсутствии глин или соединений серы, причём они легко полимеризовались собразованием соединений с атомной массой до тысячи и выше. Таким образом, можносчитать доказанным, что в горячем, щелочном первичном океане кирпичиков жизнибыло достаточно. Однако груда кирпичей – это ещё не Собор Парижской Богоматери.Как произошла сборка живого организма?

Геологическиепроцессы в архее и протерозое

Архейскаягруппа и эра, так называются древнейшие слои земной коры, они сложены изгнейсов и кристаллических сланцев, и так как не содержат в себе окаменелостейживотных, то называются также азойскими. А. группа делится на 2 системы:нижняя, следов, более древняя, лаврентьевская или система первобытного гнейса,и верхняя — гуронская или система первобытного сланца. Оби вместе составляютпласт толщиной в 100 т. фут. и, по-видимому, образуют замкнутую оболочку вокругвсего земного шара. Книзу архейские образования очень богаты алиазами, золотом,платиной, серебром, медью, железом и др. металлами.- А. эрой назыв. периодвремени, потребовавшийся для отложения слоев А. группы.

Архейская эра, начавшаяся 3,5 млрд. лет томуназад, сопровождалась небывалой силы тектоническими процессами. Выплавлялисьпервые граниты и появились первые островки суши, впоследствии давшие началоматерикам. Выветривание их поверхности дало первые осадочные породы. Около 3млрд. лет назад сформировалось земное ядро и ход конвективных процессов вмантии обрёл современную форму. Океан был горячим – 40 — 50° С, атмосфера –бескислородной, восстановительной.Следующая эра – протерозойская– началась 1,8 млрд. лет назад. Легкая тонкая кора архейской эры в процессепереплавок породила стабильные материковые платформы — нечто тектоническинеизменное.

На краях платформпроисходит коробление коры, прогибы, разломы, проявляется вулканизм — здесьнаблюдается то, что издавна называется геосинклинальной зоной, но самиплиты практически неизменны. Завершение формирования платформ приблизительносоответствует границе архея и протерозоя. Для геолога протерозой – это ранняяэпоха формирования осадочных пород на обширных пространствах материков.

Главным образом это былиабиогенные карбонаты – доломиты и известняки. Для протерозоя характерны активные процессыосадкообразования. В протерозое появляются сине-зеленые водоросли, простейшиеорганизмы, возникают многоклеточные организмы.

Развитие жизни в архееи протерозое

Жизнь в это время былапредставлена сообществами, где ведущую роль в звене продуцентов игралицианобактерии (сине-зелёные водоросли), а их мёртвые клетки разлагалимногочисленные и разнообразные бактерии «микрофлоры рассеивания». Этисообщества оставили после себя ископаемые строматолиты. Значительная частьбактерий свиты рассеивания сама была способна к производству органики, получаяэнергию от химических соединений, порождённых активным вулканизмом. Они тожеоставили доказательства своего существования. Так, бактерии, окисляющиесероводород до серы, создали нынешние залежи самородной серы.Два слишним миллиарда лет, от раннего архея до позднего протерозоя жизнь темпыбиологической эволюции были очень медленными. Ускорение биологической эволюциидали многоклеточные эукариоты, появившиеся, возможно, в позднем архее. Однакопротерозойский спурт мог быть обеспечен только появлением достаточногоколичества кислорода в атмосфере. Теперь обладатели митохондрий, разлагая тотже субстрат, что и раньше, могли получать раз в пять больше энергии. В позднемпротерозое была пройдена «точка Пастёра» — такая концентрация кислорода вокружающей среде, выше которой кислородное дыхание становится энергетическивыгодным. Появившиеся около миллиарда лет назад многоклеточные красные изелёные водоросли способствовали переходу атмосферы из восстановительной вокислительную.Бактерии по-прежнему являются ведущей силой вгеологических процессах. Теперь железобактерии создают запасы железных руд.Если в прежние времена ржавое железо должно было бы на воздухе превращаться взелёную закись, то теперь растворимые закисные формы железа энергетическивыгоднее переводить в нерастворимый Fe2O3. Этот процессможет происходить как абиогенно, так и в результате деятельностижелезобактерий. Возможно, важнейшие запасы железных руд Курской магнитнойаномалии, Криворожского бассейна и др. сделали те же микроорганизмы, которые исейчас поселяются на внутренней поверхности железного бака с водой. Переводяжелезо в нерастворимую форму, железобактерии откладывают его в виде чехлика нанаружной поверхности клеток. Потом они отмирают, а эти пустотелые колбаски изржавчины будут миллиард лет ждать металлургов. В море накапливаются соли сернойкислоты — сульфаты. Их окисленная сера — тоже продукт деятельности бактерий.Впозднем протерозое (речь идёт о двух последних его периодах – рифее и венде)существовали красные и зелёные водоросли современных отрядов и классов. Тогдаже возникли многоклеточные животные практически всех известных нам типов.Каки от кого – пока неизвестно, точнее, неизвестна та группа простейших, котораямогла породить многоклеточных животных. Ближайшими нашими родственникамиявляются истинные грибы – мухоморы, дрожжи, плесени. Губки (паразоа),которые в учебниках зоологии рассматриваются как первые многоклеточныеорганизмы – это параллельная веточка многоклеточных животных, возникшая доразделения предков грибов и собственно многоклеточных животных – метазоа.

Кембрийский парадокс ижизнь в палеозое/>

Вдруг ленивый шагбиологической эволюции сменяется на бешеный галоп. Это происходит в следующую геологическуюэру — палеозойскую. Здесь наблюдается так называемыйкембрийский взрыв.570млн. лет назад, сразу, с четверга на пятницу, со свистом и грохотом, животныеначали строить панцири, раковины, зубы, хитиновый наружный скелет – всё то, чтосохраняется, где углерод медленно заменяется кремнием, и создаёт окаменелости.Прежнюю убогую картину с маловыразительными сульфатами, строматолитами исамородной серой, ржавыми слепками бактериальной клетки сменяют отпечатки целыхживотных – членистоногих, моллюсков, губок, кораллов, иглокожих.

Кембрий – первый период палеозойской эры. Когда биолог говорит слово«докембрийский», он подразумевает при этом пустоту и неизвестность. Есть ещёдва термина – криптозой — эра скрытой жизни, то же, что и докембрий, ифанерозой – эра явной жизни.Кембрийский парадокс содержит двезагадки. Первая – почему это произошло? И почему именно 570 млн. лет назад? Вторая– где предковые формы? В кембрии присутствуют основные типы животных, но откудаони взялись? Биологи любят рисовать филогенетические деревья, отражающиеисторию животных. Если взять такое дерево, отрезать нижнюю половину, останетсято, что содержит фанерозой. Вот вершки, но где корешки? Во второйполовине ХХ века была открыта докембрийская фауна, которую называют эдиакарскойили вендской. Она представлена желетелыми организмами, совершенно непохожими навсё то, что есть в кембрийских отложениях. Появляется третья загадка – наряду свершками без корешков появились корешки без вершков, кембрийские вершки ивендские корешки несовместимы…Чем питались животные кембрия?Большинство из них были фильтраторами, т. е. отцеживали микроскопическийпланктон. Это губки и археоциаты, некоторые кишечнополостные, внешнепохожие на двустворчатых моллюсковбрахиоподы (плеченогие), многие кольчатыечерви и раки, а также первые представители хордовых.Нынешние коралловыеполипы живут за счёт симбитических одноклеточных водорослей, обитающих в тканяхполипов. Вероятно, так же было и в кембрии. Мелкие водоросли, постояннопоселяющиеся на твёрдом субстрате — безусловно, существовали и в кембрии. Имипитаются соскребатели — улитки из класса брюхоногох, первые представителикоторых тоже известны из кембрия.Имевшиеся тогда крупные многоклеточныеводоросли — красные и зелёные — имеют сравнительно близких ныне живущихродственников, которых и сейчас мало кто способен съесть. Их мёртвые телапокрываются шубой бактерий и становятся достаточно привлекательной пищей для детритофагов(мертвоедов). Эти звенья пищевой цепи — самые многочисленные и разнообразные- занимали трилобиты.И, наконец, появляются хищники — крупныечленистоногие, родственные им аналомокарисы и головоногие моллюски.Следующийпериод палеозоя – ордовикский – характерен увеличениемразнообразия жизни. Количество ископаемых видов и родов увеличивается напорядок. Появились бурые водоросли – те самые, которые создают подводные леса вприбрежной части современных морей, известные потребителю в виде морскойкапусты. От трилобитов отщепляется веточка, развившаяся в подтип хелицеровые(ныне полнее всего представленная паукообразными). Их наиболее древниепредставители — ордовикские ракоскорпионы — мало отличаются от современныхскорпионов. Они первыми вышли на сушу.В кембрийские и ордовикскиевремена жизнь существовала в основном в море, высшие формы жизни –исключительно в море. Следующий период –силурийский –характеризуется выходом на сушу многоклеточных растений и животных — преждевсего паукообразных и многоножек. Покинуть водную среду они смогли только посленакопления в атмосфере достаточного количества кислорода, и, как следствие,появления озонового экрана, защитившего поверхность планеты от «кварцевания»жёстким ультрафиолетом солнечного излучения.Сколько-нибудь знакомых намсосудистых растений нет. В прибрежной зоне, в местах с высокой влажностьюселятся псилофиты (правильнее — риниофиты) — сосудистыерастения без листьев и корней, ползучий стебель, от которого вверх на несколькодесятков сантиметров поднимаются редко ветвящиеся зелёные палочки. Ихотдалённые потомки дожили до наших дней (3 вида). Собственно рыб нет(«панцирные рыбы» силура – не рыбы, а нечто чуть повыше ланцетника) животныхещё нет, континенты заселены паукообразными, насекомыми, многоножками.Вследующем, девонском периоде в океане появляются рыбы –хрящевые и костные, а в самом конце девона примитивные костные выходят на сушуи превращаются в земноводных. Природа изобретает листья — источник питания дляновых животных. Листья легче всего разрушаются с образованием гумуса(перегноя). Так растения превращают грунт в почву и в этом им помогаютбеспозвоночные. Под слоем листового опада благоденствуют новые формычленистоногих. Помимо почвенных клещей — представителей класса паукообразные — возникают неведомо от кого произошедшие трахейнодышащие: несколько классовмногоножек и первый класс насекомых — скрыточелюстные. Все они — почвенные животные, питающиеся мёртвой растительностью, детритофаги илихищники, пожирающие детритофагов.

На суше появляютсялеса. Листья даюттень. Чтобы избежать затенения, нужно подняться выше конкурентов.

Четыре новых отдела (=типа) истинных сосудистых растений появились в девоне — плауны, хвощи,папоротники и голосеменные — и каждая новая ветвь дала древовидные формы.

Каменноугольныйпериод (карбон). Леса были не только папаротниковыми, но также хвощевыми и плауновыми, акроме того, семенные папортники в карбоне дали начало другим классамголосеменных — дожившим до нас хвойным, гинкговым и саговниковым(цикадопситам). Старые стволы падали в болото и там превращались в уголь.Появляютсяпервые крылатые насекомые. В течение каменноугольного периода возникают,вероятно, все основные отряды насекомых.И вдруг вода в этом миреисчезает. Заканчивается тектонический период с одной конвективной ячейкой.Материки сползаются в один суперконтинент – Пангею, на котором воцаряетсясуперконтинентальный климат.

Начало этого процессаположено в следующий и последний период палеозоя – пермский.Будущие хозяева суши – пресмыкающиеся и голосеменные — быстро развиваются.Самые примитивные представители рептилий появляются в позднем карбоне, в пермипресмыкающиеся достигают значительного разнообразия. Появляется новый классголосеменных — беннетитовые, от которых произошли современные хвойниковые(гентовые).

Мезозой

Окончательно Пангеяоформляется к рубежу новой геологической эры – мезозойской, начавшейся около235 млн. лет назад. Та делится на три периода – триасовый, юрский и меловой. Вмезозое происходит распад Пангеи на два суперматерика – северную Лаврвзию июжную Гондвану. В ходе дальнейших тектонических процессов Гондванараскалывается на Южную Америку, Африку, Антарктиду и Австралию, а также болеемелкие обломки. Лавразия распадётся на два материка – Евразию и СевернуюАмерику. К концу мезозоя основные современные материковые плиты были полностьюразделены.В среднем мезозое почти на всей суше господствует теплыйвлажный климат.В массовом сознании это «эра динозавров». Отчасти таконо и есть. Важнейшие отряды насекомых — бабочки, двукрылые (мухи и комары),перепончатокрылые (муравьи, пчёлы, осы) – тоже уроженцы мезозоя (точнее, первыедостоверные находки их останков датируются мезозоем). Появляются новые классы итипы водорослей, которые в настоящее время являются основными продуцентамиМирового океана – как у берегов (бурые водорсли), так и в толще воды.Одноклеточные диатомовые водоросли заключены в двустворчатыйкремнезёмный панцирь. Другие одноклеточные водоросли – кокколитофориды,достигшие в позднем мезозое величайшего расцвета, имеют панцирь, состоящий изизвестковых чешуек. С того времени и по сей час на дне океана формируются толщикремнезёмных осадков и толщи карбонатных осадков.Первый период мезозоя– триасовый. Грандиозная засуха пермотриаса – 20 млн.лет засухи – приводит к грандиозному вымиранию пышной фауны и флоры позднегопалеозоя. Раннемезозойские пейзажи обычно изображаются бурой каменистойпустыней.Масштабы вымирания не повторились никогда. Но вот чтоудивительно — исчезли не только влаголюбивые амфибии, но и огромное количествоморских таксонов. В позднем палеозое, вероятно, под влиянием развития подвижныххищников — рыб и головоногих моллюсков — начинается растянутое во временивымирание слабозащищённых малоподвижных беспозвоночных.Опустевшую сушупостепенно колонизируют существа сухого мира — голосеменные растения (в томчисле и хвойные, достигшие в эту эпоху значительного разнообразия), пресмыкающиесяи первые млекопитающие.Прогресс пресмыкающихся связан с решением двухфизиологических задач – становлением настоящего лёгочного дыхания ивозникновением амниоти-ческого яйца.Чтобы грудная клетка совершаладыхательные движения, необходимы, во- первых, подвижные рёбра, посредством суставовприкрепляющиеся к позвонкам; во-вторых – специализированные мышцы, поднимающиеи опускающие рёбра и в-третьих – нервный центр в продолговатом мозгу, которыйрегулирует частоту дыхательных движений. Весь этот комплекс появляется только упресмыкающихся, что позволяет им иметь сухие, не теряющие влагу покровы.Амниотическоеяйцо – это яйцо, в котором развиваются внезародышевые оболочки – амнион.Представьте себе головастика, заключённого в пузырёк с жидкостью. Стенкипузырька и есть амнион, выделяющий амниотическую жидкость. Когда «головастик»разовьётся и покинет яйцо, внезародышевые оболочки отмирают. Потомки рептилий — млекопитающие и птицы — сохранили амниотическое яйцо.Млекопитающиестарше птиц на 70 млн. лет. Они очень рано отделились от рептилий – ещё втриасе, поэтому несут на себе следы недоделок. В частности, у них сохранилиськожные железы – сальные, потовые, млечные.Динозавры появляются вследующем, юрском периоде. Именно в юре происходятсамые крупные тектонические процессы мезозоя – наиболее интенсивный расколконтинентальных плит, формирование водоёмов. На суше господствуют голосеменные,образующие беннетитово-цикадофитовые леса в тропиках, гинкговые икордаитово-хвойные — в умеренной зоне. В это время на суше возникают самыегигантские формы животных, и это исключительно рептилии. Млекопитающие мезозоя– мелкие и редкие крысовидные существа.Меловой период,как упоминалось выше – это время растительной революции, полной смены ведущихгрупп продуцентов как на море, так и на суше и перевода в подводные известнякиогромного количества атмосферной углекислоты. Завершается раскол Гондваны иЛавразии, формирования Атлантического и Индийского океанов.Меловойпериод для геолога – это действительно время отложения мощных меловых толщ, досотни и более метров./>

Мел состоит из останководноклеточных водорослей кокколитофорид, точнее – их панцирей, состоящих изизвестковых чешуек — кокколитов. Кокколитофориды, расцвет которых пришёлся напоздний мезозой, связали и отложили на морском дне огромное количествоуглекислоты, изъятой в конечном счёте из атмосферы. Это привело к некоторомупонижению средней температуры земной атмосферы, и, безусловно, снизилопродуктивность сухопутных растений (меньше углекислого газа – пропорциональноменьше скорость фотосинтеза).Ещё одна особенность мелового периода –становление покрытосеменных (цветковых) растений. Появились они в раннем мелу,вероятно на территории нынешней Юго-Восточной Азии. Это были невысокие деревьяили кустарники. Как ни странно, древнейшая ныне живущая ветвь покрытосеменныхрастений — это порядок нимфейные (с близкими к нему лотосовыми ираффлезиевыми), пресноводные растения с плавающими листьями, «водяныелилии».

В среднем мелу, вероятнеевсего, после разрушения некоего изолирующего барьера, в течение несколькихмиллионов лет они распространились практически всесветно и дали мощную вспышкуформообразования, а в позднем мелу стали господствующей группой наземныхрастений, сформировав целостные сообщества, состоящие из многих ярусов.

В это времярастительность приобрела вид, близкий к современному — существовали платаны,дубы, лавры, появляются первые травянистые растения – лютиковые, однодольные.

Астероидная гипотезавымирания мезозойской фауны. Кайнозой

Самым нагляднымпроявлением новой эпохи является полное вымирание крупных рептилий несколькихотрядов около 60 млн. лет тому назад. Вместе с ними исчезли господствующиеотряды головоногих моллюсков. Современная наука не может указать причинуполного вымирания столь массовой и разнообразной группы за очень короткий срок.Существуют десятки гипотез их вымирания.Одна из самых известных гипотез– метеоритная. Отец и сын Альварес (США) обратили внимание на иридиевуюаномалию. Иридий – очень редкий металл платиновой группы. Существует,однако, очень тонкий слой осадочных пород, обогащённых иридием, причём этотфеномен распространён всесветно. Их возраст оценивается приблизительно в 60млн. лет. В железных метеоритах иридия сравнительно много. Альваресыпредположили, что на Землю в это время упал крупный метеорит или мелкийастероид, который от удара полностью испарился. Смешавшись с атмосфернымигазами, мелкие частички иридия медленно и равномерно выпадали на поверхностьЗемли, формируя иридиевую аномалию. В месте удара сформировалась огромная яма,которая превратилась в современный Мексиканский залив – это действительнозасыпанный осадками кратер ударного происхождения. Более того, посколькуметеорит врезался в Землю не «в лоб», а по касательной, двигаясь с юга, крупныеобломки и осколки должны были лететь на север. Некоторые из них вроде бынайдены. Таким образом, за последние 40 лет «метеоритная гипотеза» получиласерьёзные доказательства.Можно ожидать, что в результате подобнойкатастрофы в атмосферу было выброшено такое количество пыли, что средняятемпература атмосферы на год или годы снизилась на десяток градусов.Предполагается, что именно это и погубило динозавров (почему-то именно их, ноне черепах, крокодилов, гаттерий и прочих рептилий).Однако палеонтологикатегорически против такой трактовки – меловая фауна вымерла не мгновенно, еёугасание было растянуто на несколько миллионов лет. Вероятно, падение метеоритабыло одним из факторов, ускорившим процесс, но не единственным и вряд ливедущим.Кайнозой раньше дробился на два периода — третичный ичетвертичный, последний начинается около миллиона лет назад. Тёплый третичныйпериод делился на палеогеновую (отделы: палеоцен, эоцен, олигоцен) и неогеновую(отделы: миоцен, плиоцен) системы. Четвертичный период (отделы: плейстоцен,голоцен) и есть то, что в просторечии называют ледниковый период.

Палеогеноваясистема (период).На суше наблюдается бурное формообразование млекопитающих. В начале палеогенана всей планете тепло и сыро, даже в высоких широтах растут вечнозелёные леса.Обратим внимание на этот факт — лес, «сырой лес», не любит гигантов.Близкие виды и подвиды животных представлены более мелкими лесными формами, чемте, что живут на открытых ландшафтах саванн и степей. Млекопитающие раннегопалеозоя в среднем были не крупнее собаки.Континенты продолжаютдрейфовать, Атлантический океан расширяется. Общий рельеф сглаживается, моренаступает, суша сокращается – происходит то, что называется обширнойтрансгрессией океана. Палеогеновая трансгрессия была одной из самых крупных завсю историю Земли.

Неогеноваясистема (период)характерна мощными горообразовательными процессами.В позднем палеогенеи в течение большей части неогена происходит некоторое иссушение климата и наогромных пространствах леса заменяются новым типом растительного сообщества –степями и саваннами. Появляются новые формы растений, прежде всего травянистыхи животных, обитающих в степях, – копытных, хоботных, мозоленогих, страусов. Вэтом мире опять появляются гиганты. Крупнейшее сухопутное млекопитающееиндрикотерий имело высоту в холке до 5 м. и весило около 15 т. В саванне илесосаванне формируются люди.Медленное похолодание климатанаблюдается в течение всего неогена. 20 млн.лет назад образовались первыеледники Антарктиды. Но около 5 млн. лет темпы похолодания убыстряются.

Гомо хабилис и Гомоэректус

Первые представители родаЛюди (Хомо) появляются около 2,5 млн.лет назад. Будем считать, что человек вузком, родовом смысле этого слова – существо, способное интеллектуально ифизически создавать орудия труда, его мозг и рука достаточно развиты длявыполнения этой задачи. Первый мастер, Хомо хабилис – «человекумелый» имел объём мозговой коробки около 650 см3,<sup/>около160 см. роста. Первые человеческие орудия – это галька, оббитая с однойстороны. Галечниковая индустрия называется ещё олдовайской. Хорошосохранившиеся останки человека умелого первоначально были найдены там же, гдежили австралопитеки, на территории нынешних Кении и Танзании, однако существуютсвидетельства их обитания значительно севернее и западнее, возле озера Чад.Австралопитекивымирают около миллиона лет назад. К этому времени появляется ещё одинпредставитель рода Хомо – Хомоэректус, человек выпрямленный, прежде называвшийся питекантропом.Появляется первая загадка – где? Всё, что мы знаем о его предке, указывает наВосточную Африку. Однако самые древние находки эректусов – их возраст 1,8 млн.лет – сделаны как в Африке, так и в Пакистане. В 1997 г. в Пакистане же былинайдены галечниковые орудия с возрастом, превышающим 2 млн. лет. Возможно ли,что Хомо хабилис расселился до этих пределов? Костные останки изготовителейдревейших азиатских орудий не найдены.

Первая загадкаантропогенезаВ Азии встречаются каменные орудия- более десяти находок — возраст которых превышает возраст девнейших останковГомо эректус. Кто их изготовил? Мигрировал ли Гомо хабилис в Азию?Эректус уже бесспорный путешественник. Он расселился по всейтропической Африке и Азии, от Ближнего Востока до Китая. Отдельные находки частополучали названия по месту их обнаружениея — явантроп (человек с о. Ява),синантроп (китайский человек).Чтобы описать их морфологию, достаточноуловить общую тенденцию. Люди – в пределах семейства – в ходе эволюциистановятся крупней и выше. Средний рост питекантропа около 170 см. Объёммозговой коробки черепа увеличивается, за полтора миллиона лет своегосуществования объём мозга эректусов вырос с 800 до 1100 см3. Сам посебе объём мозга не так уж много значит. Важнее уже развитие его специфическихотделов, в частности, лобных, которые управляют социальным поведением и речевых.Лоб питекантропа ещё сильно скошен, лобные доли малы.Речевые центры усовременного человека расположены в левой височной доле (зона Брока и зонаВернике). О степени их развития можно судить по слепкам внутренней частивисочной кости. В процессе эволюции эректусов соответствующие отделы височнойдоли растут.Увеличивается подбородочный выступ. «Обезьяньячелюсть», челюсть без подбородка, свидетельствует о неразвитой речи.Подбородочный выступ – место прикрепления мышц, управляющих языком, толстым,крупным человеческим языком (сравните его с плоским языком собаки или кошки). Уэректуса подбородочного выступа ещё нет, но внутренний объём нижней челюстиувеличен.Общей эволюционной тенденцией является «разоружение»черепа – его кости становятся менее толстыми, сглаживается костный гребень натемени (вспомните аналогичный гребень на шлёмах римских легионеров),уменьшаются размеры надглазничных выступов. Другой тенденцией является уменьшениеклыков и жевательной поверхности коренных зубов.Однако уменьшениеклыков должно компенсироваться развитием иного оружия.1,5 млн. летназад в Африке появляется новая технология обработки камня – ашельская.Грубо говоря, это отбивание от каменного ядрища тонких пластин. Олдовайскиегалечниковые орудия невелики, обычно не более 10 см. Ашельская технологияпозволяет работать с иным сырьём — более крупными камнями, вести ихдвустороннюю обработку и создавать не только скребки, но и массивные рубила. Новаякаменная индустрия даёт возможность изготовлять орудия для обработки дерева,заострять палки и получать копья и палки-копалки.И, наконец, около800 000 тыс. лет назад человек начинает пользоваться огнём.

Кроманьонец инеандерталец

В 70-е годы никто не могсказать, когда и где возникли кроманьонцы. 40 тысяч лет тому назад их стоянкипоявились на Ближнем Востоке. В течение нескольких тысяч лет одна ветвькроманьонцев расселилась по всей Европе, другая – по большей части Азии и вышлав Австралию.Размер мозга кроманьонцев около 1400 см3. Укроманьонцев лучше развиты лобные доли. Именно этот отдел мозга управляетсоциальным поведением человека.У кроманьонцев в физиологическомсубстрате – лобных долях — были надёжней закреплены более совершенные и болееальтруис-тические формы взаимодействия внутри родо-племенных социальныхгруппировок, способность к дисциплине, самоограничению и самопожертво-ванию,то, что позднее назовут честью, совестью, доблестью.Европейскиекроманьонцы ледникового периода значительно отличались от современных людей.Они были значительно крупнее – широкоплечие, со сравнительно узким тазом,высокие – свыше 180 см. роста, с несколько большим объёмом черепа – более 1400см3.Согласно современным данным – пока ещё достаточноспорным – они существовали более 100 тыс. лет назад в Северной Африке. Долгоевремя численность кроманьонцев была низкой. Согласно некоторым расчётам, импришлось оказаться на грани полного вымирания (у эволюционистов это называется«пройти сквозь бутылочное горлышко»). Численность кроманьонцев тогдане превышала 10 тысяч человек. С прохождением через бутылочное горлышко связанфеномен «митохондриальной Евы».??? Геном митохондрий болееизменчив, чем геном ядра, и, поскольку он мал и исследовать его довольно легко,он изучен у многих человеческих популяций. Оказалось, что геном человеческихмитохондрий так беден заменами, что «молекулярные часы» показываютвремя его возникновения всего 200 тыс. лет. Поскольку митохондрии животныхнаследуются только по материнской линии (в сперматозоидах их нет), постолькуродилась идея «митохондриальной Евы» — всё человечество суть потомкиодной единственной женщины, жившей 200 тыс. лет тому назад. Разумеется, это неболее чем математический фокус, но довольно показательный – наш вид или подвидисключительно молод.Шаткость нынешних представлений о раннем,«доближневосточном» периоде истории кроманьонцев заключается в том,что они в основном покоятся на гипотезах сравнительной генетики. Для ихподтверждения нужны надёжно датированные костные останки и предметыматериальной культуры. Пока нет костных останков кроманьонцев старше 100 тыс.лет.Та же генетика отрицает происхождение кроманьонцев отнеандертальцев. Анализ ДНК, извлечённой из костных остатков неандертальцев,показал её большие различия с геномом современного человека. Получается, чтоэти линии разошлись около 500 тыс. лет назад.

Вторая загадкаантропогенезаКогда появился и от кого произошёлчеловек современного типа? Костные остатки переходной формы пока не найдены.Генетические данные противоречивы: неандертальский и кроманьонский стволыразделились 300 лет назад, кроманьонцы возникли 200 тыс. лет назад.Итак, кроманьонцы после 70 (?) тыс. лет прозябания в Африкевышли на иные континенты и взрывообразно расширяют область своего обитания.Пока они ещё носители мустьерской культуры, но вскоре появляются каменныеорудия ориньякской культуры – более сложные. Около 20 тыс. лет человеквооружился луком и стрелами.Позже появляется культура мезолита, для которойхарактерно использование многочисленных мелких отщепов камня — микролитов.Людиориньякской культуры рисовали на сте-нах пещер, вырезали из камня и костифигурки людей и животных, рас-крашивали своё тело и украшали одежду.

Неолитическаяреволюция

Неолити́ческаяреволю́ция —переход человеческих общин от примитивной экономики охотников и собирателей к сельскомухозяйству, основанному на земледелии и/или животноводстве. По данным археологии,одомашнивание животных и растений происходило в разное время независимо в7 — 8 регионах. Самым ранним центром неолитической революции считается Ближнийвосток, где одомашнивание началось не позднее, чем 10 тыс. лет назад. Вцентральных областях Мир-Системы превращение или замещение охотничье-собирательскихобществ аграрными датируется широким временным диапазоном от Х до IIIтысячелетия до н. э., в большинстве периферийных областей переход кпроизводящему хозяйству завершился значительно позднее. Понятие «неолитическаяреволюция» было впервые предложено Гордоном Чайлдом в середине ХХ века. Кромепоявления производящего хозяйства оно включает в себя ряд последствий, важныхдля всего образа жизни человека эпохи неолита. Маленькие мобильные группыохотников и собирателей, господствовавшие в предшествующей эпохе мезолита,осели в городах и поселках возле своих полей, радикально изменяя окружающуюсреду путем культивирования (в том числе ирригации) и хранения собранногоурожая в специально возведенных зданиях и сооружениях. Повышениепроизводительности труда вело к увеличению численности населения, созданиюсравнительно больших вооруженных отрядов, охраняющих территорию, разделениютруда, оживлению товарообмена, появлению права собственности, централизованнойадминистрации, политических структур, идеологии и новых систем знания, которыепозволяли передавать его из поколения в поколение не только устно, но иписьменно. Появление письменности — атрибут окончания доисторическогопериода, который обычно совпадает с окончанием неолита и вообще каменного века.Соотношениетехнологических характеристик неолита с появлением производящего хозяйства ипоследовательность этих событий у разных культур остаются предметом обсужденияи, по-видимому, различаются, а не являются только лишь следствием действиянеких универсальных законов развития человеческого общества. Первые попыткикультивирования некоторых растений были предприняты около 10 тыс. летназад. В это время в Меланезии начали разводить таро. Но гораздо болееуспешными и важными по своим последствиям для истории человечества оказались ячменьи пшеница, окультуренные в эту же эпоху в районе плодородного полумесяца на БлижнемВостоке. В эту же эпоху и в этом же регионе — в горах Загроса — былиодомашнены козы и овцы. Несколько позже, около 9 тыс. лет назад вюго-восточной Азии был одомашнен рис. Существует несколько конкурирующих (но невзаимоисключающих) теорий о причинах появления земледелия. Наиболеераспространенными считаются следующие.

1. Теория «оазисов»,приверженцем которой был сам Гордон Чайлд[12]. Она привязываетэкономические перемены к изменениям климата в конце ледникового периода,которые сопровождались засухой и миграциями людей и животных в оазисы, где ипроисходило одомашнивание как животных, так и растений. Эта теория в настоящеевремя не получает подтверждения, так как ледниковый период закончился раньше ипредполагаемые климатические изменения относятся к другой эпохе.

2. Теория «холмистыхсклонов». Предполагает, что одомашнивание началось на холмистых склонах горТавра в Турции и Загроса в Иране, где климат не был засушливым, и сохранилосьразнообразие диких животных и растений, среди которых некоторые былиодомашнены.

3. «Демографическаятеория» была предложена Карлом Зауэром и допускает, что увеличение численностинаселения было не следствием, а причиной перехода к земледелию, так как длятого, чтобы кормить больше детей, местных ресурсов диких растений не хватало, итогда их стали культивировать.