Введение

Познавательное отношение человека к миру одно из основных. От того, как решаются проблемы познания, зависит формирование образа мира, истинность и достоверность получаемых знаний, действительное положение человека в мире и его способности осуществлять сам процесс познания. Знания позволяют предвидеть, а на этой основе действовать - изменять природу, общество и самого человека.

Главное назначение научной деятельности - получение знаний о реальности. Человечество накапливает их уже очень давно. Научные знания начали формироваться уже в VI в. до н.э. Формирование методов научного познания происходило почти 25 веков, однако, большая часть современных знаний получена за последние два столетия. Такая неравномерность обусловлена тем, что именно в этот период в науке были раскрыты ее многочисленные возможности, установлена диалектическая взаимосвязь методов познания.

Научные методы познания мира благодаря бурному развитию технологии оказались настолько наглядно эффективными что в течение последних ста лет потеснили в европейском культурном ареале господствовавшее на протяжении тысячелетий религиозно-мифологическое мировоззрение по целому ряду позиций.

1. Назовите виды фундаментальных взаимодействий. В чем проявляется универсальность фундаментальных взаимодействий. Дайте характеристику фундаментальных взаимодействий, заполните таблицу. В каких процессах играют определённую роль фундаментальные взаимодействия?

ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.

Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных полях.

Если пренебречь всеми релятивистскими эффектами и ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m1 и m2 дается соотношением, где r - расстояние между частицами, G - ньютоновская гравитационная постоянная, играющая роль константы гравитационного взаимодействия. Данное соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V (r) отлична от нуля при любом конечном r и спадает к нулю очень медленно. По этой причине говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим.

Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.

Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса Rg = 2GM / c 2, где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии черных дыр во Вселенной.

В рамках общей теории относительности впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет. Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории гравитации и квантовой механики.

КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ

Можно ли вообще говорить о квантовых проявлениях гравитационного взаимодействия? Как принято считать, принципы квантовой механики носят универсальный характер и применимы к любому физическому объекту. В этом смысле гравитационное поле не представляет исключения. Теоретические исследования показывают, что на квантовом уровне гравитационное взаимодействие переносится элементарной частицей, называемой гравитон. Можно отметить, что гравитон является безмассовым бозоном со спином 2. Гравитационное взаимодействие между частицами, обусловленное обменом гравитоном, условно изображается следующим образом:

Частица испускает гравитон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает гравитон и также изменяет состояние своего движения. В результате возникает воздействие частиц друг на друга.

Как мы уже отмечали, константой связи, характеризующей гравитационное взаимодействие, является ньютоновская константа G. Хорошо известно, что G - размерная величина. Очевидно, что для оценки интенсивности взаимодействия удобно иметь безразмерную константу связи. Чтобы получить такую константу, можно использовать фундаментальные постоянные: " (постоянная Планка) и c (скорость света) - и ввести какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp . Тогда безразмерная константа связи гравитационного взаимодействия будет , что, конечно, является очень малой величиной.

Интересно отметить, что из фундаментальных постоянных G, ", c можно построить величины, имеющие размерность длины, времени, плотности, массы, энергии. Эти величины называются планковскими. В частности, планковская длина lPl и планковское время tPl выглядят следующим образом:

Каждая фундаментальная физическая константа характеризует определенный круг физических явлений: G - гравитационные явления, " - квантовые, c - релятивистские. Поэтому если в какое-то соотношение входят одновременно G, ", c, то это значит, что данное соотношение описывает явление, которое одновременно является гравитационным, квантовым и релятивистским. Таким образом, существование планковских величин указывает на возможное существование соответствующих явлений в Природе.

Конечно, численные значения lPl и tPl очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это означает только то, что квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы сравнимыми с планковскими величинами.

Отличительной чертой явлений микромира является то обстоятельство, что физические величины оказываются подверженными так называемым квантовым флуктуациям. Это означает, что при многократных измерениях физической величины в определенном состоянии принципиально должны получаться различные численные значения, обусловленные неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым объектом. Вспомним, что гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с геометрией пространства-времени. Поэтому следует ожидать, что на временах порядка tPl и расстояниях порядка lPl геометрия пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно-временной геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.

Последовательная квантовая теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно малых значений lPL , tPl следует ожидать, что в любом обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной? Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв. Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его размеры могут стать сравнимыми с lPl , где классическая теория уже неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был сравним с tPL и она имела размеры порядка lPl . Это означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с привлечением квантовой теории гравитации.

СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Типичный пример слабого взаимодействия - это бета-распад нейтрона

где n - нейтрон, p - протон, e- - электрон, - электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона D на протон p и отрицательно заряженный пион p-. По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.

Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми GF . Константа GF размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона mp . Тогда безразмерная константа связи будет . Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.

Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10-15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.

Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: a-, b- и g-радиоактивных распадов. При этом a-распад обусловлен сильным взаимодействием, g-распад - электромагнитным. Оставшийся b-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.

Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом b-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.

Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.

Несохранение четности в слабых взаимодействиях выглядело настолько необычным свойством, что практически сразу после его открытия теоретики предприняли попытки показать, что на самом деле существует полная симметрия между левым и правым, только она имеет более глубокий смысл, чем это ранее считалось. Зеркальное отражение должно сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C ), и тогда все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы p+, p-, запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP-неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.

Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий - теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые W - и Z 0-бозоны. Это заряженные W и нейтральная Z 0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 mp .

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами. Классические проявления электромагнитного взаимодействия хорошо известны, и мы не будем на них останавливаться. С точки зрения квантовой теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная частица фотон - безмассовый бозон со спином 1. Квантовое электромагнитное взаимодействие между зарядами условно изображается следующим образом:

Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга.

Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные " и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.

С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?

Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1,6 " 10-12 эрг = = 1,6 " 1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10- 8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10- 2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица ядра.

Характерный масштаб сильного взаимодействия можно проиллюстрировать рассмотрев два покоящихся нуклона. Теория приводит к потенциальной энергии их взаимодействия в виде потенциала Юкавы

где величина r0 ї 10-13 см и совпадает по порядку величины с характерным размером ядра, g - константа связи сильного взаимодействия. Это соотношение показывает, что сильное взаимодействие является короткодействующим и по существу полностью сосредоточено на расстояниях, не превышающих характерного размера ядра. При r > r0 оно практически исчезает. Известным макроскопическим проявлением сильного взаимодействия служит эффект a-радиоактивности. Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.

В настоящее время существует квантовая теория сильного взаимодействия, получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы - глюоны. По современным представлениям частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые адронами, состоят из элементарных частиц - кварков. Кварки представляют собой фермионы со спином 1/2 и ненулевой массой. Наиболее удивительным свойством кварков является их дробный электрический заряд. Кварки формируются в три пары (три поколения дублетов), обозначаемые следующим образом:

Каждый тип кварка принято называть ароматом, так что существуют шесть кварковых ароматов. При этом u-, c-, t-кварки имеют электрический заряд , а d-, s-, b-кварки - электрический заряд , где e - заряд электрона. Кроме того, существуют три кварка данного аромата. Они отличаются квантовым числом, называемым цветом и принимающим три значения: желтый, синий, красный. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к данному кварку противоположный электрический заряд и так называемый антицвет: антижелтый, антисиний, антикрасный. Принимая во внимание число ароматов и цветов, мы видим, что всего существуют 36 кварков и антикварков.

Кварки взаимодействуют друг с другом посредством обмена восемью глюонами, которые представляют собой безмассовые бозоны со спином 1. В процессе взаимодействия цвета кварков могут изменяться. При этом сильное взаимодействие условно изображается следующим образом:

Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав другого адрона, и меняет состояние его движения. В результате возникает взаимовоздействие адронов друг на друга.

Природа устроена так, что взаимодействие кварков всегда ведет к образованию бесцветных связанных состояний, которые как раз и являются адронами. Например, протон и нейтрон составлены из трех кварков: p = uud, n = udd. Пион p- составлен из кварка u и антикварка . Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том, что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Это явление получило название асимптотической свободы и ведет к тому, что внутри адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Асимптотическая свобода естественным образом вытекает из квантовой хромодинамики. Имеются экспериментальные и теоретические указания на то, что с ростом расстояния взаимодействие между кварками должно возрастать, в силу чего кваркам энергетически выгодно находиться внутри адрона. Это означает, что мы можем наблюдать только бесцветные объекты - адроны. Одиночные кварки и глюоны, обладающие цветом, не могут существовать в свободном состоянии. Явление удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило название конфайнмента. Для объяснения конфайнмента предлагались различные модели, однако последовательное описание, вытекающее из первых принципов теории, до сих пор не построено. С качественной точки зрения трудности связаны с тем, что, обладая цветом, глюоны взаимодействуют со всеми цветными объектами, в том числе и друг с другом. По этой причине квантовая хромодинамика является существенно нелинейной теорией и приближенные методы исследования, принятые в квантовой электродинамике и электрослабой теории, оказываются не вполне адекватными в теории сильных взаимодействий.

2. а) Дайте характеристику солнечной системы. Заполните таблицу. б) В чём сущность закона Всемирного тяготения?

Тело солнечной системы	Среднее расстояние от Солнца (а.е.)	Масса в массах Земли	Средний радиус (метр)	Период обращения (год)
Солнце	0	332946	696000000
Меркурий	0,39	0,055	2435000	0,16
Венера	0,72	0,805	6050000	0,665
Земля	1	1	6380000	1
Марс	1,52	0,106	3350	1,88
Юпитер	5,2	314,03	71942000	11,86
Сатурн	9,54	94,01	60000000	29,46
Уран	19,18	14,4	25600000	84,01
Нептун	30,06	17,0	24764000	164,81
Плутон	39,75	0,002	1500000	247,7

-Закон всемирного тяготения - физический закон, в соответствии с которым:

Сила взаимного притяжения двух тел, которые могут быть приняты за материальные точки, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Почему этот закон называется Всемирным?

Гравитационное взаимодействие в соответствии с этим законом играет главную роль в движении звёздных систем, внутри звёздных скоплений и галактик.

- Определите скорость вращения планеты вокруг Солнца, считая, что она движется по окружности.

Уран

V=S/t

T= 84 года =735840 час.

R= 2,86 млрд.км.

S=2рR=17,96 млрд. км

V=17,96х10⁹/735840=24,4 млн км./час

3. Постройте схему из следующих понятий: клетка; вид; молекула; органы, ткани биосфера; целостный организм биоценоз. Объясните последовательность схемы. Укажите, где проходит граница между живым и неживым. Укажите основные признаки живого

Все огромное здание биосферы -- это большой дом, населенный то густо, то редко, но всюду пронизанный жизнью. И не может ни этот дом, ни его обитатели, ни весь живой мир Земли и космоса не иметь каких-то общих закономерностей построения. Д.И. Менделеев был уверен, что химические элементы -- не хаотичное нагромождение и поэтому открыл периодическую систему элементов. Великий генетик и географ Н.И. Вавилов искал и нашел периодические закономерности в эволюции видов. Какая-то системная закономерность должна быть и в построении мира в целом и биосферы (рис 6) в частности.

Материальный мир един, его элементарные частицы: электроны, позитроны и т.п. -- составляют атом, атомы образуют молекулы, те, в свою очередь, формируют агрегаты, дающие в своей совокупности два вида веществ -- неживое и живое (“живое вещество” -- выражение В.И.Вернадского). Живое вещество, как и неживое, структурируется. Минимальные структуры живого, состоящие из молекул, -- органеллы.

Те, в свою очередь, формируют клетки, клетка формирует ткани, а ткани -- системы органов.



Рис.1. Иерархическая структура биосферы

Далее путь конструирования живого расходится: одна ветвь -- к формированию целого индивида -- генетического потомка его предков, другая -- к возникновению новой особи. Особь уже не просто индивид, как совокупность органов и их систем, она включает и неотрывных спутников индивида, например микроорганизмы, живущие в кишечнике. Индивиды некоторых видов, например термитов, совершенно не могут существовать без своих спутников. Без деятельности микроорганизмов кишечника у них не переваривается пища. А продолжение рода у высших организмов невозможно без встречи особей разных полов, составляющих “семью” хотя бы на период оплодотворения. Эта группа организмов (“семья”) живет в составе большого скопления особей своего вида, т.е. в популяционной парцелле (части популяции) и составляет совокупность сходных по требованиям к среде и своему генетическому составу особей, т.е. популяцию. Каждая популяция одновременно входит в две структуры: в экологическую пирамиду: растениями питаются травоядные, травоядными -- хищники и т.д.; и одновременно в группу экологически сходных популяций, составляющих биотическое сообщество, например, устриц устричной банки или злаков на лугу. Вместе со своими неизменными спутниками: микроорганизмами, насекомыми, грибами -- такие сообщества дают собрания как “по горизонтали” -- синузии, например синузия мхов в лесу, так и одновременно “по вертикали”, на всю толщину слоя жизни в населяемой среде -- консорции. Сложение синузий, например деревьев, кустарников, трав, мхов, и их консорций дает новый вид парцелл, биогеоценотических.

4. Какие органические вещества входят в состав клетки?

70-80 % массы клетки составляет вода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения. Наиболее характерные компоненты клетки - белки и нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры, АТФ. Некоторые белки являются структурными компонентами клетки, другие -- ферментами, т. е. катализаторами, определяющими скорость и направление протекающих в клетках химических реакций. Нуклеиновые кислоты служат носителями наследственной информации, которая реализуется в процессе внутриклеточного синтеза белков.

Какие органические вещества являются самыми распространенными на Земле?

Органические вещества - химические соединения, в состав которых входит углерод. К органическим веществам относятся: белки, жиры, углеводы, ферменты, гормоны, витамины и продукты их превращений.

Охарактеризуйте, какие функции в клетках выполняют органические вещества.

Жиры Будучи одним из основных компонентов биологических мембран, . влияют на проницаемость клеток и активность многих ферментов, участвуют в передаче нервного импульса, в мышечном сокращении, создании межклеточных контактов, в иммунохимических процессах. ,образование энергетического резерва и создание защитных водоотталкивающих и термоизоляционных покровов у животных и растений, а также защита различных органов от механических воздействий.

Белки - класс биологических полимеров, присутствующих в каждом живом организме. С участием белков проходят основные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма: дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, передача нервных импульсов. Костная ткань, кожный, волосяной покров, роговые образования живых существ состоят из белков. Для большинства млекопитающих рост и развитие организма происходит за счет продуктов, содержащих белки в качестве пищевого компонента. Роль белков в организме и, соответственно, их строение весьма разнообразно.

Нуклеимновые кисломты (от лат. nucleus -- ядро) -- высокомолекулярные органические соединения, биополимеры (полинуклеотиды), образованные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты -- ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

Важнейшими составляющими компонента экосистемы помимо почв являются климатические и топографические факторы. Кроме того, в абиотический компонент может входить наличие волн, гейзеров, вулканов и прочие экзотические факторы.

К климатическим факторам относят свет, температуру, влажность и т. п. На интенсивность света влияет широта местности, время дня и года, а также наклон поверхности по отношению к горизонтали. Под действием света в растениях происходят фотосинтез и транспирация, благодаря свету животные видят. Организмы, живущие в областях с выраженной сменой времён года, выработали различные реакции на периодические изменения освещённости (у растений - цветение, опадание листьев, у животных - миграция, зимняя спячка). Необходимость света для нормальной жизнедеятельности приводит к ярусной структуре наземных сообществ, а в водных экосистемах ограничивает распространение большинства организмов поверхностными слоями воды.

Ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 290 нм губительны для всего живого. Жизнь на Земле возможна только потому, что это излучение задерживается озоновым слоем атмосферы, и до поверхности доходит только длинноволновая часть УФ-излучения (300-400 нм). Но даже она обладает высокой активностью и может вызывать повреждение кожного покрова.

Каждый организм может существовать только в определённом диапазоне температур. При понижении температуры до 0 °C происходит замерзание воды, и клетка погибает. При высоких температурах белки денатурируют, теряя свои функции, и жизнь также становится невозможной.

У организмов с непостоянной температурой тела повышение температуры окружающей среды вызывает ускорение метаболических реакций. Млекопитающие и птицы развили способность к терморегуляции - поддержанию постоянной температуры тела. Наземные организмы выработали различные адаптационные механизмы, позволяющие уменьшить неблагоприятное воздействие температурных колебаний. В воде изменения температуры относительно невелики, и проблема приспособления организмов к колебаниям так остро не стоит.

Вода, как необходимое условие жизни, также является ограничивающим фактором в экосистемах. Водный баланс определяется выпадением осадков, дренажем и испарением воды; его смещение приводит к засухе либо, наоборот, к переувлажнению. Растения и животные, обитающие в засушливых местностях, приспособились к неблагоприятным условиям: они уменьшают потери воды (например, сбрасывают листья, снижают потоотделение или транспирацию, уменьшают площадь поверхности тела), увеличивают её потребление (длинные, глубоко проникающие корни), переживают неблагоприятный период в виде луковиц и клубней или в летней спячке.

Ветер увеличивает скорость испарения воды. Он влияет на рост растений на открытых участках, переносит семена и споры неподвижных растений и животных. Перемещения воздушных масс вызывают перераспределение осадков на поверхности Земли.

В некоторых местах (например, под корой гниющего дерева) климатические условия могут отличаться от климата окружающей среды. В этом случае говорят о микроклимате. Микроклимат играет важную роль при распространении организмов, способных обитать в ограниченном диапазоне условий.

Исключительно важную роль играет и рельеф местности. Во-первых, топография сильно сказывается на климатических; горы могут являться климатическим барьером. Во-вторых, при изменении высоты местности над уровнем моря меняются температура, влажность, атмосферное давление. Крутизна склона и его ориентация по частям света (экспозиция) также оказывают большое влияние на экосистему.

Абиотический компонент - это динамическая система. Циклические процессы перемещения и превращения веществ называются круговоротами веществ. Важнейшими из них являются круговорот воды (гидрологический цикл), кислорода, углерода, азота, фосфора, кальция и других элементов.

Вода испаряется с поверхности океанов и морей, переносится ветром в виде туч и осадками выпадает на сушу. Часть воды испаряется с суши обратно в атмосферу, другая часть через грунтовые воды даёт начало рекам, третья часть поглощается организмами. По пути сквозь горные породы вода вымывает минеральные вещества; в конце концов они попадают в океан, изменяя с течением времени его состав. На круговорот воды в природе тратится огромная энергия: 10,5 · 10³² Дж в год (10 % всей получаемой Землёй от Солнца энергии).

Углерод поглощается из атмосферы растениями, растения поедаются животными. Скорость усваивания углерода растениями составляет 1,5 · 10¹¹ т в год (для сравнения общая масса углерода в растениях составляет около 5 · 10¹¹ т, в животных - 5 · 10⁹ т, в атмосфере - 6,4 · 10¹¹ т). В результате дыхания часть углерода возвращается обратно в атмосферу. Из остаков мёртвых организмов углерод попадает в почву и накапливается там, образуя гумус, торф, каменный уголь, нефть, природный газ. В активном круговороте углерода участвует лишь небольшое количество этого элемента; огромные запасы углерода законсервированы в известняках и других породах.

Использование удобрений для нужд сельского хозяйства усилило эвтрофикацию - обогащение водоёмов биогенными веществами. В результате в них быстро размножаются одноклеточные продуценты, которые вскоре гибнут в результате несбалансированности пищевых цепей. Это приводит к истощению ресурсов кислорода и последующей гибели живых организмов.

Море - часть водной оболочки земли, огромное углубление, впадина в земной поверхности, заполненная горькосоленой водой и соединенная проливом с океаном или образующая его прибрежную часть, более или менее глубоко вдавшуюся в материк.

5. Укажите из каких областей естествознания следующие термины и понятия

Адаптация (от позднелат. adaptatio - приспособление, прилаживание):

-- процесс приспособления строения и функций организмов и их органов к условиям среды. Адаптация живых организмов возникает и развивается под действием трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. В результате адаптации повышается устойчивость организма к холоду, теплу, недостатку кислорода, изменениям давления;

-- адаптация технических систем заключается в накоплении и последующем использовании информации о законах изменения состояния управляемого объекта или условий управления;

-- адаптация органов чувств (зрения, слуха, вкуса, обоняния) - приспособление их к силе раздражителя, проявляющееся или в повышении чувствительности органа, или в понижении ее.

Адроны - элементарные частицы, участвующие во всех взаимодействиях, в том числе и в сильном взаимодействии (барионы, мезоны, включая все резонансы).

Алгоритм (от algorithmi - лат. транслитерация араб. имени хорезмийского математика IX в. аль-Хорезми) - формальное предписание, однозначно определяющее содержание и последовательность операций, переводящих совокупность исходных данных в искомый результат - решение задачи. Алгоритм состоит из системы последовательно выполняемых элементарных преобразований над текстами определенного вида (словами в некотором алфавите, содержимым ячеек памяти ЦВМ, алгебраическими выражениями и числами и т.д.) и правил, регулирующих порядок выполнения этих преобразований.

Аннигиляция (от лат. annihilatio - исчезновение, уничтожение):

-- термин, принятый в физике для наименования процесса превращения частицы и отвечающей ей античастицы в другие частицы, про исходящего при их столкновении. Например, при аннигиляции электрона и позитрона образуются фотоны у-излучения, а при аннигиляции нуклона и антинуклона - пионы (п-мезоны), реже - каоны (К-мезоны). При аннигиляции выполняются законы сохранения массы, полной энергии, импульса, электрического заряда и некоторых других величин;

-- в праве - уничтожение, объявление несуществующим.

Античастицы - элементарные частицы, имеющие ту же массу, спин, время жизни и некоторые другие внутренние характеристики, что и их «двойники» - частицы, но отличающиеся от частиц знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда, лептонного заряда, странности и др. Все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция.

Антропогенный - возникший в результате деятельности человека.

Антропогенез (от греч. «антропос» - человек и «генезис» - происхождение) - раздел антропологии, учение о происхождении человека.

Антропология (от греч. «антропос» - человек и «логос» - учение) - наука о происхождении и эволюции человека.

Аэробные организмы - организмы, нуждающиеся для своей жизнедеятельности в свободном кислороде. К группе аэробов относятся все высшие организмы и те из низших, которые используют для своего существования энергию, освобождающуюся при реакциях окисления, протекающих в организме с поглощением свободного кислорода.

Барионы - «тяжелые» элементарные частицы с полуцелым спином и массой, не меньшей массы протона; участвуют во всех известных фундаментальных взаимодействиях. К барионам относятся нуклоны, гипероны и многие из так называемых резонансов.

Биосфера (от греч. bios - жизнь и sphaira - шар) - область распространения жизни на Земле; населенная организмами поверхность Земли и близлежащие к ней части земной коры (литосфера), воды рек, морей, океанов (гидросфера) и нижняя часть атмосферы (тропосфера). Биосферу рассматривают как особую оболочку земного шара.

Валентность (от лат. valentia - сила) - мера способности атома химического элемента или (атомной группы) образовывать химические связи с другими атомами (или атомными группами). Валентность - одно из фундаментальных понятий теории химического строения. Однако экспериментальный материал и теоретические представления современной химии не укладываются в рамки классического определения валентности, сформировавшегося в XIX - первой половине ХХ вв., поэтому определение понятия «валентность» уточняется в рамках квантовой химии.

Витамины - органические вещества, необходимые в небольших количествах человеку и животным. Имеют огромное значение для обмена веществ в организме, так как являются катализаторами биохимических реакций.

Воздух - смесь газов (главным образом азота и кислорода), из которых состоит земная атмосфера. Воздух находится в воде, почве и организмах растений и животных. Сухой воздух у поверхности земли состоит по объему из 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,94% недеятельных газов и 0,03% углекислого газа. Содержит до 4% водяного пара. Случайными примесями в воздухе являются пыль, микроорганизмы и некоторые газы - аммиак, сернистый газ и др.

Вселенная - окружающий нас мир, бесконечный во времени и пространстве и безгранично разнообразный по тем формам, которые принимает движущаяся материя.

Галактика - звездная система, в состав которой входит Солнце. Подавляющее большинство звезд, составляющих Галактику, из-за своей удаленности не различаются по отдельности даже в телескопы и создают картину Млечного Пути. Кроме звезд, которых в Галактике по статистическим подсчетам более 100 млрд, в ее состав входит диффузная (рассеянная) материя, состоящая из газа и мелких твердых частиц (так называемой космической пыли).

Ген (от греч. genos - род, происхождение):

-- единица структурной и функциональной наследственности, представляющая собой отрезок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, у некоторых вирусов - рибонуклеиновой кислоты;

-- единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака.

Генетика (от греч. genetikos - относящийся к происхождению) - наука о наследственности и изменчивости организмов.

Геотермальная энергия - тепло Земли, энергия горячих пароводяных источников (геотермия - раздел геофизики, изучающий тепловое состояние и тепловую историю Земли).

Гидросфера (от греч. hydor - вода и sphaira - шар) - прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой; представляет совокупность океанов, морей и континентальных водных бассейнов (озер, рек и т.п.). Гидросфера покрывает 70,8% земной поверхности; объем ее около 1370 млн км³ (/800 общего объема планеты); масса 1,4х10¹⁸ м, из которых 98,3% сосредоточено в океанах и морях. Химический состав гидросферы приближается к среднему составу морской воды.

Гипотеза - научно обоснованное предположение либо о непосредственно не наблюдаемом факте, либо о закономерном порядке, не противоречащем известной совокупности явлений.

Гравитация (от лат. gravitas - тяжесть) - тяготение (взаимное притяжение), существующее между любыми двумя телами и определяемое их массами.

Гравитон - квант гравитационного поля, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрический заряд и спин, равный двум.

Экспериментально пока не обнаружен.

Детерминизм (от лат.dеtеrmiпаге - определять) - философское учение о всеобщей объективной универсальной взаимосвязи и причинной обусловленности процессов и явлений природы, общества и сознания.

Дискретность (от лат. discretиs - раздельный, прерывистый) - прерывистость, скачкообразность изменений в какой-либо физической, физико-химической, биологической и других системах во времени и пространстве.

Диссипация - рассеяние. Например, диссипация газов земной атмосферы в межпланетное пространство. В физике важную роль играет диссипация энергии - переход части энергии упорядоченныx процессов (кинетическая энергия движущегося тела, энергия электрического тока и др.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном итоге в теплоту.

Естественнонаучная картина мира - система важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего нас мира.

Естествознание - совокупность наук о природе.

Иерархия (от греч. hieros - священный + arche - власть):

-- порядок безоговорочного подчинения нижестоящих органов и должностных лиц вышестоящим по строго определенным ступеням «иерархическая лестница», при котором вышестоящие органы наделяются властными полномочиями по отношению к нижестоящим;

-- расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему; в социологии - для обозначения социальной структуры общества; в общей теории систем - для описания любых системных объектов; в теории организации - принцип управления; в лингвистике - различают иерархию уровней (ярусов языка).

Изотропность (от греч. tropos - свойство) - одинаковость свойств объектов (пространства, вещества и др.) по всем направлениям. Газы, жидкости, а также аморфные вещества являются телами изотропными.

Интеграция:

-- понятие, обозначающее состояние связанности отдельных дифференцированных частей и функций системы, организма в целое, а также процесс, ведущий к такому состоянию;

-- процесс сближения и связи наук, происходящий наряду с процессами их дифференциации.

Интерпретация:

-- в широком смысле - истолкование, объяснение, перевод на более понятный язык;

-- в специальном смысле: 1) построение моделей для абстрактных систем (исчислений) математики и логики; 2) метод литературоведения - истолкование смысла произведения в определенной культурно-исторической ситуации его прочтения; основан на принципиальной многозначности образах художественного; 3) музыкальное исполнение.

Катализ (от греч. katalysis - разрушение) - изменение скорости химических реакций под действием веществ (катализаторов), вступающих во взаимодействие с реагирующими веществами, но не входящих в состав образующихся продуктов и остающихся неизменными по окончании реакции.

Катастрофа - бедствие, несчастье крупного масштаба, крушение.

Квант - в физике - порция энергии, отдаваемая или поглощаемая физической системой.

Кварки - гипотетически фундаментальные частицы, из которых, по современным представлениям, состоят все адроны.

Кибернетика (от греч. kybemetike - искусство управления) - наука об управлении и переработке информации в любых системах (в коллективах людей, в биологических, технических, экономических И других системах).

Климат [от греч. klima, klimatos - наклон (земной поверхности к солнечным лучам)] - многолетний режим погоды, свойственный той или иной местности, определяющийся закономерной последовательностью метеорологических процессов. Погодой называется состояние метеорологических условий в данное время(совокупность лучистой энергии, космического излучения, атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, направления и скорости ветра, облаков, тумана, осадков, аэрохимических, электрических и магнитных, явлений в атмосфере.

Коацервация - возникновение в растворе высокомолекулярных соединительных капель, обогащенных растворенным веществом. Обычно происходит в водных растворах белков и полисахаридов при добавлении электролитов и некоторых органических соединений.

Континент - крупный массив земной коры, большая часть которого выступает над уровнем Мирового океана, а периферия находится ниже его уровня.

Континуум - непрерывная совокупность. Например, совокупность всех точек отрезка на прямой. Континуумом является также совокупность всех действительных чисел.

Концепция - система взглядов на те или иные явления; основная мысль.

Корпускула (от лат. corpиscиlиm - тельце) - частица.

Корпускулярно-волновой дуализм - заключается в том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны, атомы и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул), и волн.

Космос (от греч. kosmos - мир, Вселенная):

-- космическое пространство со всеми его объектами (синоним Вселенной); включает околоземное, межпланетное и межгалактическое пространство со всеми его объектами;

-- весь мир как единое целое; Природа, Вселенная.

Лептоны - элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон, отрицательно заряженный мюон и тяжелый t-лептон (с массой около двух протонных масс), электронное, мюонное нейтрино и нейтрино, связанное с тяжелым лептоном, и их античастицы.

Липиды - группа органических веществ, входящих в состав всех живых клеток, включающая жиры и жироподобные вещества.

Литосфера (от греч. lithos - камень, sphaira - шар) - внешняя твердая оболочка Земли. По современным представлениям литосфера включает земную кору (толщиной в среднем 33 км) и расположенный за ней слой мантии Земли.