Концепции современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Элементы квантовой механики

Во второй половине XIX в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории, основанной на традиционных представлениях об электромагнитных излучениях, следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн) равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии.

В 1900 г. Макс Планк (1858 - 1947) для выхода из этой ситуации предложил гипотезу (впоследствии названную квантовой гипотезой Планка).

Гипотеза Планка. Электромагнитное излучение испускается отдельными порциями - квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения.

Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики - квантовой физики (старая при этом получила название классической). Согласно этим представлениям энергия кванта

Е = h·н ,

где н - частота, а h - постоянная Планка, равная 6,626·10-³⁴ Дж·с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия).

Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии.

В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее.

Гипотеза Эйнштейна. Свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами).

Покоящихся фотонов не существует, а их скорость равна скорости света.

В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук, Х. Гюйгенс, Т. Юнг, О. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах XIX в. после утверждения теории Д. Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.

В начале XX века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу.

Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс Р, обладают волновыми свойствами.

По современным представлениям, квантовый объект - это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект - это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.

Итак, из сказанного выше следует, что корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа - принципа дополнительности (1927).

Принцип дополнительности. Волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга.

Двойственная природа микрочастиц поставила науку перед вопросом о границах применимости понятий классической физики в микромире. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. По-другому обстоит дело с микрочастицей. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Другими словами, мы можем говорить о значениях координаты и импульса микрочастицы только с некоторой степенью приближения. Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии и времени нашел в 1927 г. В. Гейзенберг. Он показал, что эти неопределенности (неточности) удовлетворяют следующим соотношениям:

ДX·ДP_X ? h/2р

ДY·ДP_Y ? h/2р

ДZ·ДP_Z ? h/2р

Эти неравенства называются соотношениями неопределенностей Гейзенберга.

Таким образом, если мы знаем положение X и импульс Р микрочастицы (например, электрона в атоме) с погрешностями ДX и ДP_X, то эта погрешность не может быть меньше, чем h/2р. Этот предел мал, поскольку мала сама h - постоянная Планка, но он существует, и это фундаментальный закон природы. Важно заметить, что эта неопределенность не связана с несовершенством наших приборов. Речь о том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Этого нельзя сделать точно, так же как нельзя превысить скорость света, достичь абсолютного нуля температур, поднять себя за волосы, вернуть вчерашний день.

Из соотношения неопределенностей видно, что с увеличением массы частицы ограничения, накладываемые им, уменьшаются.

2. Модель атома Резерфорда. Постулаты Бора

Эрнест Резерфорд в 1911 г. изучал прохождение б-частиц сквозь тонкие металлические пластинки золота и платины. Они представляют собой положительно заряженные частицы с зарядом, превышающим в два раза заряд электрона. Масса б-частицы приблизительно в четыре раза больше массы атома водорода.

Альфа-частицы испускались источником, помещенным внутри свинцовой полости с каналом так, чтобы все частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок б-частиц попадал на фольгу из золота перпендикулярно ее поверхности. Альфа-частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею, вызывали вспышки (сцинтилляции) на экране. В пространстве между фольгой и экраном был вакуум, чтобы не происходило дополнительного рассеяния б-частиц в воздухе. Конструкция прибора позволяла наблюдать б-частицы под углами до 150?.

Опыты показали, что в подавляющем большинстве случаев б-частицы после прохождения через фольгу сохраняли прежнее направление движения или отклонялись на очень малые углы. Однако некоторые б-частицы отклонялись на большие углы, порядка 135 - 150?. Объяснить эти резкие отклонения накоплением малых отклонений на пути б-частицы в фольге оказалось невозможным. Для объяснения результатов своих опытов Резерфорд предположил следующую модель.

Модель атома Резерфорда. Весь положительный заряд атома сосредоточен в ядре - области, занимающей весьма малый объем по сравнению со всем объемом атома - 10-¹⁵ - 10-¹⁴ м. Остальная часть атома - область размером приблизительно 10-¹⁰ м - представляет собой облако отрицательно заряженных электронов, полный заряд которых равен положительному заряду ядра.

Так в 1911 г. была создана ядерная модель атома. Она внешне напоминает солнечную систему: в центре системы находится "солнце" - ядро, а вокруг него по орбитам движутся "планеты" - электроны. По этой причине ядерную модель атома иногда называют планетарной.

Результаты опытов Резерфорда получили простое объяснение с точки зрения ядерной модели атома. При прохождении б-частицы сквозь электронную оболочку атома она не должна испытывать заметного отклонения от своего пути. Электроны имеют весьма малую массу по сравнению с массой б-частицы, и отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему электронной оболочки. Поэтому б-частицы, встречающие на своем пути электроны атомов золота, проходят сквозь фольгу, практически не рассеиваясь. Только те б-частицы, которые проходят вблизи ядра, испытывают резкие отклонения. На малых расстояниях силы отталкивания между положительно заряженной б-частицей и массивным ядром должны быть велики, и это вызывает резкие отклонения таких б-частиц от их первоначальной траектории. Вместе с тем, вероятность попадания б-частиц в малое по объему ядро невелика. Поэтому и число б-частиц, испытавших отклонения на большие углы, должно быть весьма невелико.

Электроны атома в ядерной модели не могут быть неподвижны. Если бы они не двигались, то в результате кулоновских сил притяжения к ядру они сразу же упали бы на него. Атому, напротив, свойственна исключительная устойчивость. Устойчивость атома невозможно понять, если ядерную модель объяснять на основе классических законов механики, электричества и оптики.

Согласно ядерной модели, электрон в атоме должен непрерывно излучать электромагнитные волны и поэтому непрерывно терять энергию. Он не может удержаться на круговой орбите, должен по спирали приближаться к ядру и приблизительно через 10-¹⁰ с упасть на него. Применение к ядерной модели атома Резерфорда классических законов механики, электричества и оптики привело к полному противоречию с экспериментальными данными.

В 1913 г. Бор создал первую неклассическую теорию атома. Бор, сохраняя классический подход к описанию поведения электрона в атоме, выдвинул три постулата. Физический смысл этих постулатов не только не мог быть объяснен в классической физике, но, более того, находился в глубоком противоречии с классическим описанием движения электрона в атоме.

Бор развил теорию для атома водорода и водородоподобных систем. Они состоят из ядра и одного электрона, движущегося вокруг ядра. Примерами подобных систем являются однократно ионизированный гелий (Не⁺), двукратно ионизированный литий (Li⁺⁺) и другие ионы.

Первый постулат Бора: в атоме существуют некоторые стационарные состояния, не изменяющиеся во времени без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн.

Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Несмотря на то, что электроны движутся ускоренно, они не излучают электромагнитных волн. В этом утверждении первого постулата Бора содержится отказ от выводов классической электродинамики об излучении энергии ускоренно движущимся зарядом.

Третий постулат Бора: при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии.

Излучение происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Этому соответствует переход электрона с орбиты, более удаленной от ядра, на более близкую к ядру орбиту. Поглощение атомом энергии сопровождается переходом атома из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией. Этому соответствует переход электрона с орбиты, близкой к ядру, на более удаленную от ядра орбиту. Это правило можно записать так:

E_n - E_m = hн.

E_n и E_m - энергия атома в двух стационарных состояниях. При E_n > E_m происходит излучение фотона, при E_n < E_m - его поглощение.

Наряду с определенными успехами, в теории Бора обнаружились существенные недостатки. Основным была внутренняя противоречивость теории Бора. Она являлась соединением классической физики с квантовыми постулатами, противоречащими этой физике. Наиболее серьезной неудачей теории Бора явилась невозможность с ее помощью создать теорию атома гелия и вообще любых систем, содержащих ядро и более одного электрона. Дальнейшее развитие физики показало, что теория Бора представляла собой определенный переходный этап на пути создания последовательной теории атомных и ядерных явлений. Такой последовательной теорией явилась квантовая механика.

Волновые свойства электрона и соотношения неопределенностей приводят к тому, что для электрона в атоме представление об орбите как о траектории движения не выдерживает критики.

В квантовой механике классическое представление об орбите заменяется представлением о геометрическом месте точек, в которых электрон в атоме может быть обнаружен с наибольшей вероятностью.

3. Специальная теория относительности

Движение тел можно определить только по отношению к другим телам. Для этого в физике вводится понятие системы отсчета.

Система отсчета - это тело, которое условно считается неподвижным и по отношению к которому рассматривается движение других тел, а также связанные с этим телом система координат и часы.

Важнейшим положением физики является принцип инерции, который еще называется первым законом Ньютона.

Принцип инерции. Существуют системы отсчета, относительно которых все тела, не взаимодействующие с другими телами, движутся равномерно и прямолинейно.

Системы отсчета, которые удовлетворяют принципу инерции, называются инерциальными.

В основе специальной теории относительности лежат два принципа - принцип относительности Эйнштейна и принцип постоянства скорости света.

Принцип относительности Эйнштейна. Во всех инерциальных системах отсчета все явления природы протекают одинаково.

Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света.

Принцип постоянства скорости света Эйнштейн сформулировал на основе опыта Майкельсона. В 1881 г. американский физик Альберт Майкельсон произвел опыт, который с весьма высокой точностью измерил скорость света в различных направлениях относительно Земли. Опыт Майкельсона, неоднократно с тех пор повторявшийся в самых различных условиях, привел к совершенно неожиданному результату. Майкельсон обнаружил, что на движущейся Земле свет распространяется по всем направлениям с совершенно одинаковой скоростью.

В 1905 г. Альбертом Эйнштейном было сделано открытие относительности времени. Представим поезд, который движется прямолинейно и равномерно. Пусть в некоторый момент времени в середине поезда зажглась лампочка. В переднем и заднем вагонах устроены автоматические двери, которые открываются в тот момент, когда на них падает свет. Что увидят люди в поезде и что увидят люди на платформе? Люди, сидящие в середине поезда, увидят следующее. Так как, согласно опыту Майкельсона, свет распространяется относительно поезда с одинаковой по всем направлениям скоростью, то он дойдет одновременно до заднего и до переднего вагонов, и обе двери откроются одновременно. Что же увидят люди на платформе? Задний вагон идет навстречу лучу света. Передний же вагон луч света должен догонять. Поэтому людям на платформе покажется, что двери в поезде откроются не одновременно.

Понятие одновременности имеет относительный смысл, и в разных инерциальных системах отсчета время протекает по-разному.

Пока мы имели дело со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, мы не могли обнаружить относительность понятия одновременности. И лишь изучая движения со скоростями, близкими к скорости света, мы вынуждены были пересмотреть понятие одновременности.

Пусть имеется очень длинная железная дорога, по которой движется поезд Эйнштейна. На огромном расстоянии друг от друга находятся две станции. На обеих станциях имеются часы. На первой станции в вагон садится путешественник и перед отходом поезда проверяет свои часы по станционным. По приезде на другую станцию он с удивлением замечает, что его часы отстали. В мастерской путешественника заверили, что его часы в полном порядке.

Чтобы разобраться в этом, представим, что пассажир направляет к потолку луч света из фонарика, поставленного на пол вагона. На потолке расположено зеркало, от которого луч света отражается обратно к лампочке фонарика. Путь луча, каким его видит пассажир в вагоне, таков:

Совсем иначе выглядит этот путь для наблюдателя, который находится на платформе. За то время, что луч света пройдет от лампочки до зеркала, само зеркало вследствие движения поезда переместится. Пока луч будет возвращаться, лампочка переместится на такое же расстояние.

Мы видим, что для наблюдателей на платформе свет прошел явно большее расстояние. С другой стороны, мы знаем, что скорость света есть абсолютная скорость, она одинакова и для едущих в поезде, и для тех, кто стоит на платформе. Это заставляет нас сделать вывод: на станции между отправлением и возвращением луча прошло больше времени, чем в поезде!

Отставание часов будет тем значительнее, чем больше скорость поезда.

Всякие движущиеся часы отстают от покоящихся.

Отсюда так называемый "парадокс близнецов". Он заключается в том, что если один близнец остается на Земле (неподвижная система отсчета), а другой улетает на ракете (движущаяся система отсчета), движущейся со скоростью, близкой к скорости света, то, возвратившись на Землю, он констатирует, что его брат-близнец стал намного старше его.

В теории относительности оказывается, что бессмысленно говорить о длине стержня, не указав системы отсчета, относительно которой эта длина измеряется.

Длина стержня в разных системах отсчета различна.

Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии

Е = mc²

Она подтверждена данными современной физики.

4. Эволюция звезд. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела

Независимо друг от друга датчанин Эйнар Герцшпрунг и американец Генри Рессел открыли закономерность.

Два характерных признака звезды - истинная яркость и температура поверхности - дают возможность разделить все множество звезд на очень небольшое число разграниченных групп.

(Истинная яркость звезды - количество лучистой энергии, которое она излучает в окружающее пространство). Результатом явилась диаграмма Герцшпрунга - Рессела. При ее построении используются все звезды, для которых известны температура поверхности и истинная яркость. По оси абсцисс откладывается температура поверхности звезд, по оси ординат - истинная яркость. Каждой звезде с известными характеристиками на диаграмме Герцшпрунга - Рессела соответствует одна точка.

Точки на диаграмме Герцшпрунга - Рессела не разбросаны хаотично. Подавляющее большинство их ложится на так называемую главную последовательность. Небольшая часть точек попадает в область левее и ниже главной последовательности. Они относятся к звездам с очень высокой температурой поверхности и ненормально малой истинной яркостью. Эти звезды составляют группу белых карликов. Отдельную группу образуют звезды в правом верхнем углу диаграммы. Они имеют небольшую температуру поверхности, но светят необычайно ярко. В эту область диаграммы попадают красные гиганты и сверхгиганты.

Рассмотрим холодное межзвездное облако пыли и газа с массой, примерно равной массе нашего Солнца, и размерами, достигающими размеров современной Солнечной системы. Равновесие внутри такого облака может быть внезапно нарушено, и все его частицы с ускорением свободного падения устремятся к центру. Произойдет коллапс - стремительное сжатие. Коллапсирующее облако всего за половину земного года уменьшится до размеров, которые лишь в 100 раз превышают нынешние размеры Солнца. Это уже не облако газо-пылевой материи, а рождающаяся звезда. Освобождение огромного количества внутренней энергии облака приводит к его разогреву.

Во второй фазе своей эволюции формирующаяся звезда быстро вращается, из ее недр вырываются мощные струи вещества. Постепенно размеры такой звезды сокращаются до размеров Солнца, утечка вещества из недр замирает, температура недр достигает значения в 10 млн. градусов, и термоядерная реакция перехода водорода в гелий становится основным источником излучаемой звездной энергии. Молодая звезда полностью сформировалась: она достигла третьей, стабильной стадии своего существования, в которой может спокойно находиться несколько миллиардов лет. Температура поверхности и истинная яркость этой звезды теперь полностью соответствуют характеристикам звезд главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела.

По мере сгорания водорода температура и давление в недрах звезды увеличиваются. В звезде начинают выделяться очень плотное ядро и разреженная оболочка. Остатки водорода выгорают на границе оболочки и ядра. При этом оболочка непрерывно раздувается и температура на поверхности звезды снижается. Эта звезда - красный гигант.

Жизнь звезды - это поединок двух противоборствующих сил. Давление горячих газов постоянно стремится увеличить размеры звезды. Гравитационные силы взаимного притяжения всех составляющих звезду частиц вещества стремятся сжать ее как можно больше. Звезда остается в обычном "уравновешенном" состоянии, пока стремление горячих газов к расширению и гравитационное сжатие взаимно компенсируются. В результате выгорания водородного "топлива" действие гравитационных сил оказывается резко преобладающим. Тогда наступает стремительное сжатие звезды.

Теория рассматривает три варианта "агонии" старых звезд.

1. Пусть масса звезды меньше 1,2 массы Солнца. Красный гигант в короткий срок растрачивает остатки водорода. Оболочка рассеивается в пространстве. Небольшое ядро наблюдается теперь как очень плотная и горячая звезда - белый карлик. Вещество белых карликов состоит из стиснутых атомных ядер и электронов.

2. Если исходная масса звезды превосходила массу Солнца более, чем в 1,2 раза, то звезда сжимается до состояния нейтронной звезды. Недра подобной звезды должны состоять из нейтронов. Нейтронная звезда покрыта твердой кристаллической корой толщиной порядка одного километра. Так велика сила тяготения на этой звезде, что самая крупная гора на ее поверхности не смогла бы подняться выше 2,5 см. Нейтронная звезда становится как бы одним цельным атомным ядром фантастических размеров. Плотность нейтронных звезд заключается в пределах от 10¹² до 10¹⁵ г/см³.

3. Третий теоретически возможный вариант звездной "кончины" представляет собой гравитационное сжатие звезд с массой больше двух масс Солнца. Вокруг них в результате гравитационного сжатия возникает настолько сильное искривление пространства, что электромагнитное излучение вообще не в силах вырваться за пределы этого объекта. Звезды, претерпевающие такое сжатие, становятся невидимыми. Благодаря своему чудовищному гравитационному полю "черная дыра" захватывает и поглощает все проходящее мимо излучение.

Черная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.

Граница этой области называется горизонтом событий, а ее радиус (если она сферически симметрична) - гравитационным радиусом.

Эволюционный трек звезды начинается в правом нижнем углу диаграммы Герцшпрунга-Рессела. Формирующаяся звезда еще холодна и светит слабо. За несколько десятков миллионов лет звезда разогревается и достигает главной последовательности. Затем на протяжении нескольких миллиардов лет она поднимается вдоль главной последовательности снизу вверх, становясь все более яркой и горячей. Характеристики звезды начинают изменяться в сторону звезд-гигантов. Красный гигант достигает поворотной точки своего существования - начинает скидывать разреженную оболочку. Яркость звезды резко падает, а температура поверхности быстро нарастает. Звезда уходит из области красных гигантов, пересекает под прямым углом главную последовательность и отправляется на "кладбище звезд": в область белых карликов.

5. Гипотеза разбегания галактик. Теория Большого взрыва

Великим физикам прошлого И. Ньютону и А. Эйнштейну Вселенная представлялась статичной. В 1917 американец В. Слайфер опубликовал работу о разбегании космических туманностей и вслед за ним советский физик А. Фридман в 1924 г. выступил с теорией "разбегающихся" галактик. Фридман предсказал расширение Вселенной. Полученные им в 1922 - 1924 годах первые нестатические решения уравнений Эйнштейна при исследовании релятивистских моделей Вселенной положили начало развитию теории нестационарной Вселенной (релятивистский - основанный на теории относительности). Это было революционным переворотом в физическом представлении о нашем мире. Гипотеза А. Фридмана получила экспериментальное подтверждение по наблюдениям красного смещения скорости движения галактик.

Вернувшись с первой мировой войны, Эдвин Хаббл устроился на работу в высокогорную астрономическую обсерваторию Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, которая в те годы была лучшей в мире по оснащенности. Используя ее новейший телескоп-рефлектор с диаметром главного зеркала 2,5 м, он провел серию любопытных измерений, навсегда перевернувших наши представления о Вселенной.

Хаббл намеревался исследовать одну старую астрономическую проблему - природу туманностей. Ученые задавались вопросом: а где эти туманные образования находятся - в нашей Галактике? Или часть из них представляют собой иные "островки Вселенной". До ввода в действие телескопа на горе Вилсон в 1917 году этот вопрос стоял чисто теоретически, поскольку для измерения расстояний до этих туманностей технических средств не имелось.

Хаббл начал свои исследования с туманности Андромеды. К 1923 году ему удалось рассмотреть, что окраины этой туманности представляют собой скопления отдельных звезд. Хаббл рассчитал расстояние до туманности Андромеды. У него оказалось - 900 000 световых лет (более точно рассчитанное на сегодняшний день расстояние до галактики Андромеды, как ее теперь называют, составляет 2,3 миллиона световых лет). То есть туманность находится далеко за пределами Млечного Пути - Нашей Галактики. Пронаблюдав эту и другие туманности, Хаббл пришел к выводу о структуре Вселенной.

Вселенная состоит из набора огромных звездных скоплений - галактик.

Именно они и представляются нам в небе далекими туманными "облаками", поскольку отдельных звезд на столь огромном удалении мы рассмотреть попросту не можем.

Э. Хаббл подметил важный аспект в полученных данных, который астрономы наблюдали и прежде, но интерпретировать затруднялись. А именно: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько больше длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера.

Все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли, поскольку практически у всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно красное спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления.

Самое главное, Хабблу удалось сопоставить результаты своих измерений расстояний до соседних галактик с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению).

Чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется.

Это самое явление центростремительного "разбегания" видимой Вселенной с нарастающей скоростью по мере удаления от локальной точки наблюдения и получило название закона Хаббла. Математически он формулируется очень просто:

v = H • r ,

где v - скорость удаления галактики от нас,

r - расстояние до нее,

H - постоянная Хаббла.

Постоянная Хаббла определяется экспериментально, и на сегодняшний день оценивается как равная примерно 70 км/(с·Мпк). И, хотя изначально Хаббл пришел к этому закону по результатом наблюдения всего нескольких ближайших к нам галактик, ни одна из множества открытых с тех пор новых, все более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной, из-под действия этого закона не выпадает.

Итак, главное следствие закона Хаббла:

Вселенная расширяется.

Галактики разбегаются по одной простой причине: расширяется сама ткань мирового пространства. Все наблюдатели (и мы с вами не исключение) считают себя находящимися в центре Вселенной.

Из экспериментального факта разбегания галактик был оценен возраст Вселенной. Он оказался равным - около 15 миллиардов лет! Так началась эпоха современной космологии.

Естественно возникает вопрос: а что было в начале? Всего около 20 лет понадобилось ученым, чтобы вновь полностью перевернуть представления о Вселенной.

Ответ предложил выдающийся физик Г. Гамов (1904 - 1968) в 40-ые годы. История нашего мира началась с Большого взрыва. Именно так думает большинство астрофизиков и cегодня.



Большой взрыв - это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объеме Вселенной. Все вещество мироздания было сжато в плотный комок протоматерии, заключенный в совсем небольшом в сопоставлении с нынешними масштабами Вселенной объеме.

Представление о Вселенной, родившейся из сверхплотного сгустка сверхгорячего вещества и с тех пор расширяющейся и остывающей, получило название теории Большого взрыва.

Более удачной космологической модели происхождения и эволюции Вселенной на сегодня не имеется. Закон Хаббла, кстати, помогает также оценить возраст Вселенной (конечно, весьма упрощенно и приблизительно). По самым последним оценкам, возраст нашей Вселенной составляет около 15 миллиардов лет, плюс-минус несколько миллиардов лет.

Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная состояла из фотонов, электронов и других частиц. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами. По мере расширения Вселенной, она остывала, и на определенном этапе электроны стали соединяться с ядрами водорода и гелия и образовывать атомы. Это случилось при температуре около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. С этого момента фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Но нам остались "свидетели" той эпохи - это реликтовые фотоны и нейтрино. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно ее заполняет. В результате дальнейшего остывания излучения его температура снизилась и сейчас составляет около 3 К.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили радиометр, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При настройке прибора выяснилось, что антенна имеет избыточную температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Встреча между группами из Принстона и Холмдейла определила, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию за его открытие.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

6. Теория самопроизвольного зарождения жизни. Теория панспермии

Исторически одной из первых возникла теория самопроизвольного зарождения. Она была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте, и затем, в эпоху эллинизма, нашла отражение в трудах Эмпедокла (ок. 490 - 430 до н.э.) и Аристотеля (384 - 322 до н.э.).

Согласно концепции самопроизвольного зарождения жизни, в различных веществах могут находиться специфические "активные зерна", которые при попадании в благоприятную среду дают начало живому организму.

По мнению Аристотеля, активное начало присутствует в оплодотворенном яйце (с чем трудно не согласиться), но также в солнечном свете, болотной тине, и организмы могут возникать не только путем естественного размножения, но и самозарождаться из почвы, влаги и света под действием природных сил.

Экспериментальное "доказательство" этой теории, существовавшей длительное время, привел фламандский врач Ян Баптист ван Гельмонт (1579 - 1644). В одной из своих работ он описал проделанный эксперимент по "созданию" мышей из горсти пшеницы и грязной рубашки в темном шкафу за три недели. Активным началом, необходимым для зарождения мыши, Гельмонт считал человеческий пот.

Однако, чуть позже, в 1688 г. итальянский биолог Франческо Реди (1626 - 1698) позволил себе усомниться в результатах опытов фламандского врача и провел серию своих экспериментов, отличавшихся большей научной строгостью. В два одинаковых сосуда он поместил куски свежего мяса, один сосуд он закрыл, а другой оставил открытым. Портящееся мясо в открытой колбе было доступно для мух, и вскоре на нем появились их личинки, а в закрытой колбе мясо оставалось чистым. Эксперимент привел Реди к важному выводу.

Живые организмы возникают только биогенным путем, т.е. в результате своего размножения, при этом зарождаться самопроизвольно, без участия других организмов, они не могут.

Однако, после того как нидерландский натуралист Антоний ван Левенгук (1632 - 1723) впервые наблюдал в сконструированный им самим микроскоп недоступные простому глазу микроорганизмы, интерес к идее самозарождения вновь повысился. Этому способствовали первые опыты с микробами, которые всегда обнаруживались там, где находились питательные вещества. Ученые, проводившие эти опыты, пришли к выводу, что микроорганизмы переносятся вместе с частицами пыли и при попадании на продукты интенсивно размножаются, если же продукты подвергнуть кипячению, то микробы гибнут и при хранении в закрытом сосуде они больше не появляются. Однако сторонники теории самозарождения объясняли это тем, что в результате нагревания исчезает "жизненная сила", а хранение в закрытой посуде препятствует доступу воздуха, без которого самозарождение организмов невозможно.

Окончательное опровержение этой теории дал французский биолог Луи Пастер (1822 - 1895). Чтобы доказать, что кипячение не убивает "жизненную силу", он приготовил крепкий мясной бульон и оставил его в открытой колбе. Через некоторое время, несмотря на предварительное кипячение, в бульоне было обнаружено множество бактерий.

Вторую часть эксперимента осуществить оказалось гораздо сложнее. Чтобы доказать, что воздух не может инициировать зарождение микробов, необходимо было обеспечить его доступ к стерилизованному бульону, но при этом исключить возможность попадания туда микроорганизмов. Идею проведения такого опыта Пастеру подсказал известный химик Антуан Баляр (1802 - 1876). Наполнив колбу бульоном и прокипятив, они нагрели горлышко колбы и вытянули его в виде тонкой трубки с двумя изгибами. В результате, микробы вместе с частицами пыли попасть в бульон не могли, оседая на изгибах трубки, а воздух проходил в сосуд совершенно свободно. Результаты эксперимента оказались блестящими: ни через неделю, ни через месяц, ни через год в колбе не появилось ни одного микроба.

Таким образом, на смену теории самозарождения жизни пришла идея о биогенном характере организмов, согласно которой живое возникает только из живого, образуя бесконечную цепочку смены поколений. В связи с этим закономерно возник следующий вопрос: как началась эта цепочка, т.е. какие организмы были первыми и откуда они появились?

Существование пробелов в концепции биохимической эволюции дает основания многим исследователям в поисках истоков жизни обратиться к теории панспермии, которая отвергает возникновение жизни на Земле и выдвигает идею о ее внеземном происхождении.

Согласно теории панспермии, зародыши жизни (например, бактерии или споры микроорганизмов) переносятся в космическом пространстве частицами пыли или небесными телами (кометами и метеоритами). При попадании таких зародышей на подходящую по условиям планету они дают начало биологической эволюции.

Следует отметить, что, постулируя внеземное происхождение жизни, теория панспермии не объясняет ее возникновения в целом. Однако современные исследования в области астрофизики позволили несколько расширить идеи этой теории и некоторым образом соотнести их с теорией биохимической эволюции.

Толчком к этому послужило обнаружение в метеоритах и кометах органических веществ и организованных элементов невыясненной природы. Еще в 1834 г. шведский химик Якоб Берцелиус (1779 - 1848) при исследовании метеорита Алаис выделил в нем органические молекулы. Это заинтересовало множество других исследователей, и на сегодняшний день перечень обнаруженных в небесных телах органических соединений содержит аминокислоты, азотистые основания, карбоновые кислоты и другие сложные вещества. Это поставило вопрос о происхождении данных соединений: являются ли они продуктом жизнедеятельности организмов или же имеют абиогенную природу. Современные методы исследований позволяют ответить на этот вопрос.

Известно, что молекулы аминокислот имеют один несимметрично расположенный атом углерода, следствием чего является существование двух оптических изомеров, правого и левого, поворачивающих луч проходящего через них света. Аминокислоты, образованные биогенным путем, являются левыми изомерами (поворачивают луч света влево), а аминокислоты неорганического происхождения содержат правые и левые изомеры в одинаковых количествах, поэтому оптической активности не проявляют. Это свойство "несимметричности" живого называется хиральностью (от греч. сheir - рука) и заключается в несовместимости молекул с их зеркальным отражением, подобно правой и левой руке. Оно присуще не только аминокислотам, но и, например, нуклеиновым кислотам, которые являются правыми изомерами. Поэтому хиральность - еще одна граница между живым и неживым. Изучение аминокислот, найденных в метеоритах, не выявило в них оптической активности, т.е. правых и левых изомеров в них оказалось поровну, поэтому было признано их абиогенное происхождение. По некоторым данным, не менее 10% кометного вещества представляют собой органические соединения, необходимые для начала биологической эволюции, в частности, аминокислоты и азотистые основания.

В частности, голландский ученый М. Гринберг в лаборатории смоделировал кометные условия: метан, окись углерода и вода при температуре -269?С подвергались ультрафиолетовому облучению. В результате возникали сложные органические соединения.

Таким образом, простое органическое вещество характерно не только для нашей планеты, его можно считать достаточно распространенным и в условиях космического пространства. Поэтому в настоящее время обсуждается возможность возникновения первичных органических молекул в период возникновения Солнечной Системы под действием ионизирующего излучения. Опыты подтвердили возникновение органических молекул из смеси газов, близкой по составу к газовой туманности, под действием излучений радиоактивных изотопов.

Гипотеза панспермии предполагает первоначальное зарождение органических веществ не на Земле, а в космическом пространстве.

Кроме того, она позволяет надеяться, что существование жизни во Вселенной не ограничивается только нашей планетой.

7. Теория биохимической эволюции

Основоположником теории биохимической эволюции является русский академик А.И. Опарин (1894 - 1980). В основу данной теории положено существенное различие между современными природными условиями Земли и условиями нашей планеты в древние времена.

Согласно теории биохимической эволюции, в далеком прошлом нашей планеты происходили абиогенный синтез органических соединений и их дальнейшая эволюция.

Современные методы оценки возраста Земли позволяют считать, что она возникла около 4,5 - 5 млрд. лет назад. В 1923 г. А.И. Опарин выдвинул предположение, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода (для сравнения: в современной атмосфере его содержится 21 %). В такой атмосфере могли содержаться аммиак, двуокись углерода, метан и водяной пар. Бескислородный характер первичной атмосферы приводит к двум важнейшим следствиям.

Во-первых, в отсутствие кислорода не образуется озоновый слой, который в современной атмосфере располагается на высоте 10 - 50 км и поглощает 99 % ультрафиолетового излучения Солнца. Оно оказывает губительное воздействие на живые ткани, поэтому первые организмы должны были "скрываться" от него под слоем воды или горных пород.

Во-вторых, образовавшиеся органические молекулы не подвергались окислению и могли участвовать в дальнейших реакциях (в условиях окислительной атмосферы объекты органического происхождения, не защищенные клеточными мембранами, разлагаются под действием кислорода, что происходит, например, после гибели живого организма и разрушении клеточной стенки).

Первые эксперименты, моделирующие первичную атмосферу Земли были поставлены в 1953 г. американским ученым Стэнли Миллером (род. в 1930 г.). Его установка представляла собой колбу, внутри которой создавались электрические разряды. В колбе находилась вода и различные газы, предположительно входящие в состав первичной атмосферы (водород, метан, аммиак и др.). Свободный кислород в системе отсутствовал. При нагревании в установке происходила постоянная циркуляция водяного пара и газов. После нескольких дней эксперимента в колбе образовывались простейшие органические соединения: аминокислоты (строительный материал для белков), азотистые основания (компоненты нуклеиновых кислот) и некоторые другие вещества. Их концентрация возрастала по мере убывания исходных компонентов. Вслед за опытами Миллера последовали аналогичные эксперименты.

Разнообразие экспериментов позволяет предположить, что неорганический синтез органических соединений мог быть достаточно распространенным явлением в прошлом нашей планеты. Академик А.И. Опарин считал, что такие реакции происходили в морях и океанах и сопровождались увеличением концентрации образующихся органических веществ, при этом водная среда становилась "первичным бульоном", способным к дальнейшей эволюции.

Однако образование органических молекул и их полимеризация являются только началом в длинной цепочке эволюции, которая привела к появлению первых живых клеток, поскольку отдельно взятый белок еще не обладает специфическими свойствами, присущими организму в целом. Поэтому на смену химической эволюции должна была прийти биологическая.

Процесс возникновения и эволюции живых систем называется биогенезом.

Согласно гипотезе А.И. Опарина, предками настоящих клеток были протоклеточные структуры, способные к простейшему обмену с окружающей средой.

Они называются коацерватами (от латинского coacervus - сгусток). Взаимодействие нескольких органических молекул приводит к сближению их полярных концов и образованию "коацерватной капли".

Возникающие коацерваты обладали значительно бoльшими возможностями, чем отдельные молекулы, поскольку могли поглощать из окружающей среды другие вещества. Появились примитивные мембраны, которые не только выполняли защитные функции, но и способствовали дальнейшему обособлению коацерватов от окружающей среды.

Шла дифференциация свойств молекул внутри коацерватов: белки оказались способными регулировать ход химических реакций, приводящих к появлению новых органических веществ, а нуклеотидные цепи постепенно приобрели возможность удваиваться по принципу дополнения. Дальнейшая эволюция этих важнейших свойств привела к появлению наследственного генетического кода, несущего информацию о строении белковых молекул. Таким образом, развитие коацерватов привело к появлению первых примитивных клеток, не имеющих ядра. Это произошло более 4 млрд. лет назад.

Постепенно запасы органических веществ, необходимых для питания, истощались, и у некоторых клеток возникла способность использовать солнечную энергию для синтеза органических веществ из неорганических соединений углерода. Так появились организмы, способные к фотосинтезу.

Фотосинтез - процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ.

Сначала фотосинтез шел без образования молекулярного кислорода. В ходе дальнейшей эволюции организмы стали выделять кислород. Это произошло около 4 млрд. лет назад.

Обогащение атмосферы свободным кислородом привело со временем к образованию озона, поглощающего коротковолновое ультрафиолетовое излучение, опасное для живых организмов. Кроме того, возникло дыхание - способ обмена веществ, при котором расщепление органических веществ происходит с участием кислорода.

В дальнейшем происходило усложнение клеточного строения и около 2 млрд. лет назад появились первые клетки, имеющие ядро и внутриклеточные структуры.

Следующим эволюционным шагом в развитии организмов стало появление многоклеточных форм жизни примерно 1,3 млрд. лет назад.

Подтверждением некоторых положений биохимической теории происхождения и развития жизни могут служить ископаемые остатки организмов, обнаруживаемые в древнейших горных породах.

Самыми древними следами жизни считаются известняки, обнаруженные в Западной Австралии. Они были образованы сине-зелеными водорослями и бактериями 3,5 млрд. лет назад и свидетельствуют о наличии форм жизни, способных к фотосинтезу. В Северной Америке были обнаружены водоросли, возраст которых составляет 1,1 млрд. лет.

8. Теория эволюции

Шведский ученый Карл Линней составил классификацию видов растений и животных. Его система построения живого мира имела большое значение для дальнейшего развития биологии, хотя и содержала много неточностей, обусловленных тем, что в основе классификации лежало сходство только по одному признаку.

Карл Линней допускал возможность изменения видов под влиянием условий обитания и в результате скрещивания особей разных видов.

Французский естествоиспытатель Жорж Бюффон в своем трактате "Естественная история" развил представления о происхождении Земли и живой природы.

Согласно теории Ж. Бюффона, различные группы организмов, возникшие в разное время, могли иметь общих предков, изменение же того или иного вида было обусловлено влиянием внешней среды и наследованием приобретенных признаков.

Дальнейшее развитие этих представлений привело к созданию первой эволюционной теории французским ученым Жаном-Батистом Ламарком (1744 - 1829). Он пришел к выводу о постепенном развитии сложных организмов из более простых.

Первоначальное происхождение примитивных форм жизни Ламарк объяснял действием божественных сил, однако, для объяснения дальнейшего развития естественным путем он выдвинул два механизма эволюции: упражнение и неупражнение частей организма, обусловленное влиянием внешних факторов среды, и передача потомству приобретенных признаков по наследству.

В своей книге "Философия зоологии", изданной в 1809 г., Ламарк обосновал медленное изменение видов с течением времени. При изменении окружающей среды, по его мнению, у животных может возникнуть необходимость в наиболее интенсивном использовании тех или иных органов, или же наоборот, отказ от их использования. Более частое и продолжительное употребление какого бы то ни было органа укрепляет мало-помалу этот орган, развивает его. Постоянное неупотребление органа ослабляет его, приводит в упадок, и, наконец, заставляет его исчезнуть. Например, длинные ноги и шея жирафа - это результат необходимости доставать листья с деревьев, перепонки у водоплавающих птиц появились из-за постоянного раздвигания пальцев и растягивания кожи между ними в поисках пищи, плоское тело у камбалы - от лежания на боку на мелководье. Именно под такими процессами Ламарк понимал упражнение или неупражнение органов, приводившее к их изменениям. Эти изменения закреплялись, передаваясь по наследству потомству, вследствие чего один вид превращался в другой.

Разумеется, такая концепция эволюции подвергалась критике со стороны других ученых. Немецкий зоолог Август Вейсман (1834 - 1914) показал, что если у многих поколений мышей отрезать хвосты, то это не повлияет на длину хвостов у потомков, хотя, с точки зрения Ламарка, вынужденное неиспользование этих органов должно привести к их укорочению. Вейсман объяснил это тем, что такие изменения не влияют на половые клетки особей и, следовательно, не могут передаваться по наследству.

Поворотным моментом в становлении теории эволюции стала книга великого английского ученого Чарльза Роберта Дарвина (1809 - 1882) "Происхождение видов путем естественного отбора", изданная в 1859 г.

Большую роль в формировании концепции эволюции Дарвина сыграла работа английского священника Томаса Мальтуса (1766 - 1834) "Трактат о народонаселении", вышедшая в 1778 г. В этом трактате Мальтус обосновывает, что способность людей воспроизводиться неизбежно привела бы к перенаселению планеты, если бы не действовали ограничения, такие как войны, голод и другие социальные факторы.

Познакомившись с этой работой, Дарвин пришел к мысли, что среди животных тоже должны действовать механизмы, ограничивающие их численность, поскольку репродуктивный потенциал каждой особи во много раз превышает действительное число ее взрослых потомков, и в среднем количество особей популяции (т.е. число организмов одного вида, населяющих одну территорию) остается постоянным. Например, каждая лягушка в пруду за свою жизнь, длящуюся в среднем 2 года, дает около 10 тысяч икринок, однако, тем не менее, количество лягушек продолжает оставаться примерно одинаковым. Большая часть потомства, согласно теории Дарвина, гибнет из-за ограниченности пищевых ресурсов, нападения врагов, изменений условий обитания.

Таким образом, Дарвин предложил идею о борьбе организмов за свое существование. Он отмечал, что эта борьба может принимать самые различные формы: внутривидовая, когда конкуренция за пищу и место обитания происходит между особями одного вида, межвидовая (например, между хищниками и их жертвами), и, наконец, борьба с неблагоприятными условиями.

В ходе борьбы за существование преимущество имеют те особи, которые оказываются наиболее приспособленными к данным условиям жизни. Поэтому любые благоприятные изменения организма повышают его шансы на выживание и обзаведение потомством, а неблагоприятные в рамках жесткой конкуренции приводят к гибели.

Материалом для естественного отбора служит индивидуальная изменчивость организмов. Индивидуальные особенности могут быть полезными для организма, вредными или нейтральными. Если преобладают вредные особенности, организм, вероятнее всего, погибнет в борьбе за существование. Напротив, если в совокупности полезных отклонений окажется больше, шансы на выживание значительно возрастут, и увеличится вероятность появления потомства, несущего такие же признаки.