Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

по дисциплине “Концепции современного естествознания”

ПЛАН

• 1. Панорама современного естествознания
• 2. Современная наука о сущности и истоках человеческого сознания
• 3. Звезды и их эволюция
• Список использованной литературы
• 1. ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
• Естествознание -- это совокупность наук о природе, которые изучают мир в его естественном состоянии. Это обширная область человеческих знаний о природе: разнообразных природных объектах, явлениях и закономерностях их существования и развития (рис. 1).
• Рис. 1. Развитие знаний
• Целью естествознания является познание законов природы и поиск путей их разумного практического использования. Область познания природы с помощью естественных наук неисчерпаема. Естествознание исследует бесконечное множество объектов, начиная с субъядерного уровня (микромир элементарных частиц и вакуума) структурной организации материального мира, кончая галактик, мегамиров и Вселенной. Одни науки естествознания, такие как физика, химия, астрономия и др. исследуют неорганическую природу, а другие, например, биологические науки, изучают живую природу (рис. 2).
• Рис.2. Соподчиненность законов науки
• Современная биология является самой разветвленной наукой; к ней относятся: ботаника, зоология, морфология, цитология, гистолгия, анатомия и физиология, микробиология, эмбриология, экология, генетика и т. д. Многообразие и дифференциация биологических наук объясняется сложностью самой живой природы.
• Таким образом, в процессе познания единства и многообразия всей природы (окружающего мира) сформировалось множество дифференцированных и синтезированных естественных наук.
• Естествознание представляет собой одну из основных форм человеческого знания, а именно о природе. Таких форм знания -- три: о природе, обществе и человеческом мышлении. Естествознание представляет теоретическую основу промышленной и сельскохозяйственной техники и медицины. Оно является также основой диалектики и философского материализма. Диалектика природы немыслима без естествознания.
• Объектом и предметом изучения естествознания являются различные виды материи (механическая, физическая, химическая, биологическая, космологическая, термодинамическая, геофизическая, кибернетическая и т. д.) По своему содержанию и методу изучения явлений природы естествознание может быть подразделено на эмпирическое и теоретическое, а по характеру своего объекта -- на неорганическое, имеющее своим предметом формы движения неживой природы и на органическое, предмет которого составляют явления в живой природе. Этим определяется внутренняя структура естествознания.
• Участвуя в выработке естественно-научной, или физической, картины мира, естествознание главным образом своей теоретической частью (понятия, категории, законы, принципы, теории), а также разработкой приемов и методов научного исследования примыкает к философскому материализму. С каждым этапом развития естествознания закономерно сменялась форма развития материализма в зависимости от естественно-научных открытий.
• В целом ход развития естествознания -- это путь от созерцания природы (древность) через аналитическое расчленение (XV--XVIII вв.), когда был получен метафизический взгляд на природу, к синтетическому воссозданию картины природы в ее всесторонности, целостности и конкретности (XIX--XX вв.).
• В центре современного естествознания до середины XX в. стояла физика, искавшая способы использования атомной энергии и проникавшая в область микромира, в глубь атома, атомного ядра и элементарных частиц. Так, например, физика дала толчок в развитии других отраслей естествознания: астрономии, космонавтики, кибернетики, химии, биологии, биохимии и других естественных наук. Физика вместе с химией, математикой и кибернетикой помогает молекулярной биологии решать теоретически и экспериментально задачи искусственного биосинтеза, способствует раскрытию материальной сущности наследственности. Физика также способствует познанию природы химической связи, решению проблем космологии и космогонии. В последние годы начинает лидировать целая группа наук -- молекулярная биология, кибернетика, микрохимия.
• Особенно важными для науки являются философские выводы мировоззренческого характера, вытекающие на основе естественно-научных достижений: закон сохранения и превращения энергии; теория относительности Эйнштейна, прерывность и непрерывность в микромире, неопределенность Гейзенберга и т. д. Они определяют облик современного естествознания.
• К современному естествознанию относятся концепции, возникшие в XX в. Но не только последние научные данные можно считать современными, а все те, которые входят в толщу современной науки, поскольку наука представляет собой единое целое, состоящее из разновременных по своему происхождению частей.

2. СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О СУЩНОСТИ И ИСТОКАХ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО СОЗНАНИЯ

естествознание сознание мышление звезда

Человек отличается от животных следующими фундаментальными признаками.

Человек обладает понятийным мышлением (т. е. может формировать абстрактные представления о предметах, в которых обобщены основные свойства конкретных вещей).

Человек обладает речью.

Человек способен к труду (т. е. способен изготавливать орудия труда и преобразовывать окружающую среду).

Сознание - это высшая форма отражения мозгом человека окружающего мира, т. е. такое знание, которое может быть передано людям в форме слов, математических символов и т. д.

Важнейшие отличия человека от животных закреплены в строении мозга. Именно человеческий мозг -- то место, где существует сознание человека, рождаются эмоции, иными словами, происходит высшая нервная деятельность. Поэтому человеческий мозг изучается как естественными, так и общественными и гуманитарными науками. Среди них ведущее место принадлежит психологии, которая в последнее время широко пользуется новыми методами исследования мозга,) пришедшими из нейрофизиологии и психофизиологии, которые в свою очередь базируются на физических и химических методах исследования, Например, с помощью электрического раздражения разных отделов мозга можно вызывать и изучать мысли и эмоции, создавать иллюзии и галлюцинации.

С помощью этих исследований удалось добиться многого: открыть те химические и электрические изменения, которые происходят на клеточном уровне и сопровождают каждый поведенческий акт; открыть функциональную асимметрию мозга; выяснить природу стресса как неспецифического защитного механизма сопротивления внешним факторам и многое другое.

Но по-прежнему множество вопросов в области психологии остается без ответов: отсутствует убедительная физико-химическая модель сознания, поэтому до сих пор неясно, что такое мысль; спорен вопрос о начале сознания, ведь мышление не развивается само по себе, поэтому требуется определенное время после рождения ребенка для его формирования. Поэтому в современной психологии можно выделить три основные точки зрения на сознание: отрицание самоценности психики и сознания в бихевиоризме; классическое понимание сознания как особого свойства высокоорганизованной материи; модель «расширяющегося сознания» в трансперсональной психологии С. Грофа, и соответствии с которой психика и сознание существуют еще до рождения человека.

Сущность сознания состоит в отражении объективных свойств различных предметов и явлений окружающего мира, в предварительном мысленном планировании действий и оценке результатов, в регулировании взаимоотношений человека с окружающей природной и социальной средой. Сознание -- это та часть психики, которая может произвольно направляться на определенный реальный или идеальный объект, возбуждаться или тормозиться самим субъектом.

Способом выражения сознания является слово, язык, на основе которых формируется абстрактно-логическое мышление. Слово -- это обобщающий сигнал, заменяющий конкретный предмет или явление. С их помощью мы получаем знания из окружающего мира и передаем их в общении с другими людьми. Выделяют также подсознание -- психические процессы, возникшие под влиянием сложных поведенческих программ, доведенных до автоматизма и ставших навыками. По сути дела, это -- бессознательное, которое понимается как совокупность психических процессов и состояний, обусловленных явлениями действительности. во влиянии которых субъект не отдает себе отчета. Бессознательное отличается от сознания тем, что отражаемая им реальность сливается с переживаниями субъекта, его отношением к миру. Поэтому в бессознательном невозможен произвольный контроль осуществляемых субъектом действий и оценка их результатов.

И наконец, существует сверхсознание, или творческая интуиция -- первоначальный этап творчества, не контролируемый ни сознанием, ни волей. Оно обеспечивает выдвижение и обоснование гипотез, поисковую деятельность человека.

Основные состояния сознания, присущие всем людям: сон, который обычно воспринимается как период отдыха, и бодрствование или период активности. В период активности организм может улавливать, отбирать и интерпретировать сигналы внешнего мира, отправлять некоторые из них в память или же реагировать на них немедленно своим поведением, опираясь при этом на свой предшествующий опыт и навыки.} В этот период организм приспосабливается к внешней действительности.

Очень важен для организма сон. Это не только отдых и восстановление физических сил. Сейчас известно, что у сна есть две фазы: «медленная» и «быстрая». Они последовательно сменяют друг друга, образуя 4--5 циклов длительностью по 90 минут во время нормального ночного сна. Особенно велика роль «быстрого», или парадоксального сна. Во время него происходит отбор и хранение в памяти значимой для субъекта информации, накопленной за сутки. Кроме того, в продолжение сна мозг продолжает решать актуальные для личности проблемы, возникшие во время бодрствования.

Итак, сознание -- чрезвычайно сложный психический феномен. В нем выделяют процессы внимания, восприятия и переработки информации, процессы запоминания и актуализации информации, мышление, а также творческие процессы создания новой информации. В результате этих процессов в сознании накапливаются опыт и знания, формируется отношение к окружающему миру и к себе, осознаются свои возможности.

С помощью органов чувств мы воспринимаем окружающий мир и формируем представление о нем, мышление показывает нам сущность выделенных объектов. Мышление представляет собой активное отражение объективного мира в понятиях, суждениях, моделях, теориях, концепциях, в результате которого дополнительно к миру реальному возникает идеальный мир, являющийся отражением реального мира в нашем сознании. Мышление дополняет чувственное восприятие выделением общего и существенного, тем, что недоступно непосредственному восприятию органами чувств.

Огромную роль в процессе восприятия играют эмоции -- все положительные и отрицательные реакции человека, среди которых тревога, боль, удовольствие, радость и др., а также чувства -- более подвластные человеку и обусловленные социокультурно человеческие реакции. Также нужно отметить внимание и волю человека, основанные на обучении и памяти, оказывающие воздействие на интересы и потребности человека. Внимание -- это сосредоточенность, избирательная и познавательная направленность процессов, нацеленная на определенный объект, значимый в настоящее время. Память -- это способность мозга запоминать, хранить и воспроизводить полученную информацию. Существует мгновенная, длящаяся несколько секунд, кратковременная (до двух -- трех дней) и долговременная (до конца жизни человека) память.

Проанализируем более подробно мышление. Мышление представляет собой непрерывный диалог между сознанием и бессознательным. Бессознательное непрерывно подсказывает сознанию различные варианты поведения и деятельности по решению актуальных для человека проблем. Если в бессознательном нет вариантов решения или отсутствует нужная информация, то этот постоянно идущий диалог нарушается. В результате мы испытываем чувство беспокойства и тревоги, перерастающее в страх. Так формируется стресс как ответная реакция организма на информационные или эмоциональные перегрузки.

Формой мышления является мысль, которая может существовать в самых разных обликах -- как понятия, как образы. Но большинство мыслей состоит из сочетания образов, слов и понятий.

Крупные успехи в изучении мышления были достигнуты в рамках нейрофизиологии. Так, удалось установить, что мыслим мы в основном с помощью переднего мозга, занимающего 85% общего объема мозга и разделенного на два полушария -- левое и правое -- через пучок нервных волокон (мозолистое тело). Именно передний мозг позволяет нам различать числа, понимать язык, пользоваться, логикой, принимать решения, наслаждаться музыкой и оперировать абстрактными понятиями. 15% мозга составляют мозжечок и ствол мозга. Мозжечок управляет равновесием тела, а ствол отвечает за поддержание сердцебиения и дыхания.

Крупным открытием нейрофизиологии стало уже упоминавшееся нами изучение функциональной асимметрии головного мозга. Мы уже говорили, что левое полушарие отвечает в основном за речь, математические способности, логическое мышление и принятие решений. Правое полушарие обеспечивает восприятие ритма и цвета, музыки и живописи, работу воображения и фантазии, а также ориентацию в пространстве.

«Левополушарное» мышление является дискретным и аналитическим, поскольку с его помощью осуществляется ряд последовательных операций, обеспечивающих непротиворечивый анализ предметов и явлений по определенному числу признаков. Благодаря этому формируется внутренне непротиворечивая картина мира, которую можно закрепить и однозначно выразить в словах или других условных знаках.

«Правополушарное» мышление создает возможность одномоментного «схватывания» многочисленных свойств объекта в их взаимосвязи друг с другом и во взаимодействии со свойствами других объектов, что обеспечивает целостность восприятия. Благодаря этому образы приобретают свойство многозначности, лежащее в основе творчества, с одной стороны, но препятствующее их логическому упорядочиванию и осознанию, с другой стороны.

Функциональные различия полушарий головного мозга можно представить следующей схемой.

Предпосылки к формированию функциональной асимметрии головного мозга передаются генетически, но сама она, как и тесно связанная с ней речь, формируется лишь в социальном общении.

В зависимости от конкретных условий может сложиться относительное доминирование лево- или правополушарного, логического или гуманитарного типа мышления. Это определяет направленность человека на научное или художественное познание мира.

В норме оба полушария функционируют во взаимосвязи. Их согласованная деятельность обеспечивает получение адекватной непротиворечивой картины мира. При этом правое полушарие образными средствами создает целостное представление о ситуации, а левое полушарие анализирует ее логическими аналитическими средствами. Но в процессе профессиональной деятельности человека из-за преобладания в ней задач разного типа может сформироваться доминантное, ведущее полушарие. В такой ситуации доминантное полушарие не позволяет включиться в мышление другому полушарию, отключая его, пытаясь решить проблему любого типа только своими средствами. Так, человек с доминантным левым полушарием может утратить ориентацию в сложной образной ситуации из-за того, что логический аппарат начинает анализировать произвольно выбранный, обычно малосущественный фрагмент данной ситуации. А человек с доминантным правым полушарием часто не может решить простой логической задачи. Поэтому наиболее эффективным является двухполушарное мышление, в котором левое и правое полушария мозга взаимно дополняют друг друга.

Такое же взаимодополнение характерно и для стилей мышления людей, выполняющих в обществе две важнейшие ролевые функции, -- мужчин и женщин. Между их психикой существуют существенные различия, связанные с тем, что психика мужчин ориентирована на развитие вида, а психика женщин -- на его сохранение. Различия в психике мужчин и женщин могут быть отражены в форме сравнительной таблицы.

Все названные составляющие сознания характеризуют интеллект -- способность мыслить и рационально познавать действительность. Он зависит от генетических особенностей человека и избранной им сферы деятельности. Чем больше человек в своей жизни использует разум, мышление, тем выше уровень развития интеллекта. Таким образом, он не является раз и навсегда данным, постоянные тренировки способствуют его развитию.

Хотя животные, как показывают данные этологии, тоже ведут себя вполне разумно, человеческий интеллект принципиально отличается от «разума» животных. Человек способен мыслить абстрактно, формировать общие понятия -- не только абстракции, но и идеализации, строить суждения и умозаключения. Это позволяет человеку отрываться в своем мышлении от реальности, создавая идеальный мир своего сознания. Но важнейшим отличием человеческого интеллекта является способность к рефлексии, то есть умение видеть себя со стороны -- изучать не только окружающий мир, но и самого себя в этом мире

3. ЗВЕЗДЫ И ИХ ЭВОЛЮЦИЯ

Потребовалось тысячелетнее развитие науки, чтобы человечество осознало простой и вместе с тем величественный факт, что звезды - это объекты, более или менее похожие на Солнце, но только отстоящие от нас на несравненно большие расстояния.

Стадии звездной эволюции:

Звезда начинает свое существование как сжимающийся под действием собственного тяготения сгусток вещества. В ходе сжатия давление, температура и плотность в центральной области звезды достигают больших значений и возникает термоядерная реакция, которая является источником энергии, излучаемой звездой. После того как ядерные источники энергии в ней оказываются исчерпанными, в зависимости от массы звезды (точнее массы ее ядра m₃) существует три возможности ее дальнейшей эволюции.

1. Если m₃ < 1,4 m_c. (m_c - масса Солнца), то сжатие звезды прекращается, когда ее плотность достигает 10⁹ кг/м³ и возникает белый карлик - звезда размером с Землю и светимостью в тысячу и более раз ниже светимости Солнца.

2. Если 1,4 m_c < m₃ < 2 m_c то сжатие звёзды прекращается, когда ее плотность достигает 10¹⁸ кг/м³ и возникает нейтронная звезда - звезда диаметром около 20 км и состоящая в основном из нейтронов.

3. Если m_з > (2 - 3) m_c то стремительное сжатие ведет к неограниченно большой плотности и неограниченно малым размером звезды и возникает черная дыра.

БЕЛЫЕ КАРЛИКИ

Белые карлики - впервые были открыты небесные тела, обладающие свойствами, весьма далёкими от тех, с которыми мы имеем дело в земных условиях. И, по всей вероятности, разрешение загадки белых карликов положило начало исследованиям таинственной природы вещества, запрятанного где-то в разных уголках Вселенной.

Во Вселенной много белых карликов. Одно время они считались редкостью, но внимательное изучение фотопластинок, полученных в обсерватории Маунт-Паломар (США), показало, что их количество превышает 1500. Удалось оценить пространственную плотность белых карликов: оказывается, в сфере с радиусом в 30 световых лет должно находиться около 100 таких звёзд. История открытия белых карликов восходит к началу 19в, когда Фридрих Вильгельм Бессель, прослеживая движение наиболее яркой звезды Сириус, открыл, что её путь является не прямой линией, а имеет волнообразный характер. Собственное движение звезды происходило не по прямой линии; казалось, что она едва заметно смещалась из стороны в сторону. К 1844г., спустя примерно десять лет после первых наблюдений Сириуса, Бессель пришёл к выводу, что рядом с Сириусом находится вторая звезда, которая, будучи невидимой, оказывает на Сириус гравитационное воздействие; оно обнаруживается по колебаниям в движении Сириуса. Ещё более интересным оказалось то обстоятельство, что если тёмный компонент действительно существует, то период обращения обеих звёзд относительно их общего центра тяжести равен приблизительно 50 годам.

Перенесёмся в 1862г. и из Германии в Кембридж, штат Массачусетс (США). Алвану Кларку, крупнейшему строителю телескопов в США, Университетам штата Миссисипи было поручено сконструировать телескоп с объективом диаметром 18,5 дюйма (46 см), который должен был стать самым большим телескопом в мире. После того как Кларк закончил обработку линзы телескопа, нужно было проверить, обеспечена ли необходимая точность формы её поверхности. С этой целью линзу установили в подвижной трубе и направили на Сириус - самую яркую звезду, являющуюся лучшим объектом для проверки линз и выявления их дефектов. Зафиксировав положение трубы телескопа, Алван Кларк увидел слабый «призрак», который появился на восточном краю поля зрения телескопа в отблеске Сириуса. Затем, по мере движения небосвода, в поле зрения попал и сам Сириус. Его изображение было искажено - казалось, что «призрак» представляет собой дефект линзы, который следовало бы устранить, прежде чем сдать линзу в эксплуатацию. Однако эта возникшая в поле зрения телескопа слабая звёздочка оказалась компонентом Сириуса, предсказанным Бесселем. В заключение следует добавить, что из-за начавшейся первой мировой войны телескоп Кларка так никогда и не был отправлен в Миссисипи - его установили в Дирбоновской обсерватории, вблизи Чикаго, а линзу используют по сей день, но на другой установке.

Таким образом, Сириус стал предметом всеобщего интереса и многих исследований, ибо физические характеристики двойной системы заинтриговали астрономов. С учётом особенностей движения Сириуса, его расстояние до Земли и амплитуды отклонений от прямолинейного движения астрономам удалось определить характеристики обеих звёзд системы, названых Сириус А и Сириус В. Суммарная масса обеих звёзд оказалась в 3,4 раза больше массы Солнца. Было найдено, что расстояние между звёздами почти в 20 раз превышает расстояние между Солнцем и Землёй, то есть примерно равно расстоянию между Солнцем и Ураном; полученная на основании измерения параметров орбиты масса Сириуса А оказалась в 2,5 раза больше массы Солнца, а масса Сириуса В составила 95% массы Солнца. После того как были определены светимости обеих звёзд, обнаружилось, что Сириус А почти в 10 000 раз ярче, чем Сириус В. По абсолютной величине Сириуса А мы знаем, что он примерно в 35,5 раза светит сильнее Солнца. Отсюда следует, что светимость Солнца в 300 раз превышает светимость Сириуса В.

Светимость любой звезды зависит от температуры поверхности звезды и её размеров, то есть диаметра. Близость второго компонента к более яркому Сириусу А чрезвычайно осложняет определение его спектра, что необходимо для установки температуры звезды. В 1915г. с использованием всех технических средств, которыми располагала крупнейшая обсерватория того времени Маунт-Вилсон (США), были получены удачные фотографии спектра Сириуса. Это привело к неожиданному открытию: тем-пература спутника составляла 8000 К, тогда как Солнце имеет температуру 5700 К. Таким образом, спутник в действительности оказался горячее Солнца, а это означало, что светимость единицы его поверхности также больше.

Простой расчёт показывает, что каждый сантиметр этой звезды излучает в четыре раза больше энергии, чем квадратный сантиметр поверхности Солнца. Отсюда следует, что поверхность спутника должна быть в 3004 раз меньше, чем поверхность Солнца, и Сириус В должен иметь диаметр около 40 000 км. Однако масса этой звезды составляет 95% от массы Солнца. Этот значит, что огромное количество вещества должно быть упаковано в чрезвычайно малом объёме, иначе говоря, звезда должна быть плотной. В результате несложных арифметических действий получаем, что плотность спутника почти в 100 000 раз превышает плотность воды. Кубический сантиметр этого вещества на Земле весил бы 100 кг, а 0,5 л такого вещества - около 50 т.

Такова история открытия первого белого карлика. А теперь зададимся вопросом: каким образом вещество можно сжать так, чтобы один кубический сантиметр его весил 100 кг?

Когда в результате высокого давления вещество сжато до больших плотностей, как в белых карликах, то вступает в действие другой тип давления, так называемое «вырожденное давление». Оно появляется при сильнейшем сжатии вещества в недрах звезды. Именно сжатие, а не высокие температуры является причиной вырожденного давления. Вследствие сильного сжатия атомы оказываются настолько плотно упакованными, что электронные оболочки начинают проникать одна в другую.

Гравитационное сжатие белого карлика происходит в течение длительного времени, и электронные оболочки продолжают проникать друг в друга до тех пор, пока расстояние между ядрами не станет порядка радиуса наименьшей электронной оболочки. Внутренние электронные оболочки представляют собой непроницаемый барьер, препятствующий дальнейшему сжатию. При максимальном сжатии электроны уже не связаны с отдельными ядрами, а свободно движутся относительно них. Процесс отделения электронов от ядер происходит в результате ионизации давлением. Когда ионизация становится полной, облако электронов движется относительно решётки из более тяжёлых ядер, так что вещество белого карлика приобретает определённые физические свойства, характерные для металлов. В таком веществе энергия переносится к поверхности электронами, подобно тому, как тепло распространяется по железному пруту, нагреваемому с одного конца.

Но электронный газ проявляет и необычные свойства. По мере сжатия электронов их скорость всё больше возрастает, потому что, как мы знаем, согласно фундаментальному физическому принципу, два электрона, находящиеся в одном элементе фазового объёма, не могут иметь одинаковые энергии. Следовательно, чтобы не занимать один и тот же элемент объёма, они должны двигаться с огромными скоростями. Наименьший размер допустимого объёма зависит от диапазона скоростей электронов. Однако в среднем, чем ниже скорость электронов, тем больше тот минимальный объём, который они могут занимать. Иными словами, самые быстрые электроны занимают наименьший объём. Хотя отдельные электроны носятся со скоростями, соответствующими внутренней температуре порядка миллионов градусов, температура полного ансамбля электронов в целом остаётся низкой.

Установлено, что атомы газа обычного белого карлика образуют решётку плотно упакованных тяжёлых ядер, сквозь которую движется вырожденный электронный газ. Ближе к поверхности звезды вырождение ослабевает, и на поверхности атомы ионизированы не полностью, так что часть вещества находится в обычном газообразном состоянии.

Зная физические характеристики белых карликов, мы можем сконструировать их наглядную модель. Начнём с того, что белые карлики имеют атмосферу. Анализ спектров карликов приводит к выводу, что толщина их атмосферы составляет всего несколько сотен метров. В этой атмосфере астрономы обнаруживают различные знакомые химические элементы. Известны белые карлики двух типов - холодные и горячие. В атмосферах более горячих белых карликов содержится некоторый запас водорода, хотя, вероятно, он не превышает 0,05%. Тем не менее по линиям в спектрах этих звёзд были обнаружены водород, гелий, кальций, железо, углерод и даже окись титана. Атмосферы холодных белых карликов состоят почти целиком из гелия; на водород, возможно, приходится меньше, чем один атом из миллиона. Температуры поверхности белых карликов меняются от 5000 К у "холодных" звёзд до 50 000 К у "горячих". Под атмосферой белого карлика лежит область невырожденного вещества, в котором содержится небольшое число свободных электронов. Толщина этого слоя 160 км, что составляет примерно 1% радиуса звезды. Слой этот может меняться со временем, но диаметр белого карлика остаётся постоянным и равным примерно 40 000 км. Как правило, белые карлики не уменьшаются в размерах после того, как достигли этого состояния. Они ведут себя подобно пушечному ядру, нагретому до большой температуры; ядро может менять температуру, излучая энергию, но его размеры остаются неизменными. Чем же определяется окончательный диаметр белого карлика ? Оказывается его массой. Чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус; минимально возможный радиус составляет 10 000 км. Теоретически, если масса белого карлика превышает массу Солнца в 1,2 раза, его радиус может быть неограниченно малым. Именно давление вырожденного электронного газа предохраняет звезду от всяческого дальнейшего сжатия, и, хотя температура может меняться от миллионов градусов в ядре звезды до нуля на поверхности, диаметр её не меняется. Со временем звезда становится тёмным телом с тем же диаметром, который она имела, вступив в стадию белого карлика.

Под верхним слоем звезды вырожденный газ практически изотермичен, то есть температура почти постоянна вплоть до самого центра звезды; она составляет несколько миллионов градусов - наиболее реальная цифра 6 млн. К.

Теперь, когда мы имеем некоторые представления о строении белого карлика, возникает вопрос: почему он светится? Очевидно одно: термоядерные реакции исключаются. Внутри белого карлика отсутствует водород, который поддерживал бы этот механизм генерации энергии.

Единственный вид энергии, которым располагает белый карлик, -это тепловая энергия. Ядра атомов находятся в беспорядочном движении, так как они рассеиваются вырожденным электронным газом. Со временем движение ядер замедляется, что эквивалентно процессу охлаждения. Электронный газ, который не похож не на один из известных на Земле газов, отличается исключительной теплопроводностью, и электроны проводят тепловую энергию к поверхности, где через атмосферу эта энергия излучается в космическое пространство.

Астрономы сравнивают процесс остывания горячего белого карлика с остыванием железного прута, вынутого из огня. Сначала белый карлик охлаждается быстро, но по мере падения температуры внутри него охлаждение замедляется. Согласно оценкам, за первые сотни миллионов лет светимость белого карлика падает на 1% от светимости Солнца. В конце концов белый карлик должен исчезнуть и стать чёрным карликом, однако на это могут понадобиться триллионы лет, и, по мнению многих учёных, представляется весьма сомнительным, чтобы возраст Вселенной был достаточно велик для появления в ней чёрных карликов.

Другие астрономы считают, что и в начальной фазе, когда белый карлик ещё довольно горяч, скорость охлаждения невелика. А когда температура его поверхности падает до величины порядка температуры Солнца, скорость охлаждения увеличивается и угасание происходит очень быстро. Когда недра белого карлика достаточно остынут, они затвердеют.

Так или иначе, если принять, что возраст Вселенной превышает 10 млрд. лет, красных карликов в ней должно быть намного больше, чем белых. Зная это, астрономы предпринимают поиски красных карликов. Пока они безуспешны. Массы белых карликов определены недостаточно точно. Надёжно их можно установить для компонентов двойных систем, как в случае Сириуса. Но лишь немногие белые карлики входят в состав двойных звёзд. В трёх наиболее хорошо изученных случаях массы белых карликов, измеренные с точностью свыше 10% оказались меньше массы Солнца и составляли примерно половину её. Теоретически предельная масса для полностью вырожденной не вращающейся звезды должна быть в 1,2 раза больше массы Солнца. Однако если звёзды вращаются, а по всей вероятности, так оно и есть, то вполне возможны массы, в несколько раз превышающие солнечную.

Сила тяжести на поверхности белых карликов примерно в 60-70 раз больше, чем на Солнце. Если человек весит на Земле 75 кг, то на Солнце он весил бы 2тонны, а на поверхности белого карлика его вес составлял бы 120-140 тонн. С учётом того, что радиусы белых карликов мало отличаются и их массы почти совпадают, можно заключить, что сила тяжести на поверхности любого белого карлика приблизительно одна и та же. Во Вселенной много белых карликов. Одно время они считались редкостью, но внимательное изучение фотопластинок, полученных в обсерватории Маунт-Паломар, показало, что их количество превышает 1500. Астрономы полагают, что частота возникновения белых карликов постоянна, по крайней мере в течение последних 5 млрд. лет. Возможно, белые карлики составляют наиболее многочисленный класс объектов на небе. Удалось оценить пространственную плотность белых карликов: оказывается, в сфере с радиусом в 30 световых лет должно находиться около 100 таких звёзд. Возникает вопрос: все ли звёзды становятся белыми карликами в конце своего эволюционного пути? Если нет, то какая часть звёзд переходит в стадию белого карлика?

Важнейший шаг в решении проблемы был сделан, когда астрономы нанесли положение центральных звёзд планетарных туманностей на диаграмму температура - светимость. Чтобы разобраться в свойствах звёзд, расположенных в центре планетарных туманностей, рассмотрим эти небесные тела.

На фотографиях планетарная туманность выглядит как протяжённая масса газов эллипсоидной формы со слабой, но горячей звездой в центре. В действительности эта масса представляет собой сложную турбулентную, концентрическую оболочку, которая расширяется со скоростями 15-50 км/с. Хотя эти образования выглядят как кольца, на деле они являются оболочками и скорость турбулентного движения газа в них достигает примерно 120 км/с. Оказалось, что диаметры нескольких планетарных туманностей, до которых удалось измерить расстояние, составляют порядка 1 светового года, или около 10 триллионов километров. Расширяясь с указанными выше скоростями, газ в оболочках становится очень разряженным и не может возбуждаться, а следовательно, его нельзя увидеть спустя 100 000 лет.

Многие планетарные туманности, наблюдаемые нами сегодня, родились в последние 50 000 лет, а типичный их возраст близок к 20 000 лет. Центральные звёзды таких туманностей - наиболее горячие объекты среди известных в природе. Температура их поверхности меняется от 50 000 до 1млн. К. Из-за необычайно высоких температур большая часть излучения звезды приходится на далёкую ультрафиолетовую область электромагнитиного спектра. Это ультрафиолетовое излучение поглощается, преобразуется и переизлучается газом оболочки в видимой области спектра, что и позволяет нам наблюдать оболочку. Это означает, что оболочки значительно ярче, нежели центральные звёзды, - которые на самом деле являются источником энергии, - так как огромное количество излучения звезды приходится на невидимую часть спектра.

Из анализа характеристик центральных звёзд планетарных туманностей следует, что типичное значение их массы заключено в интервале 0,6-1 масса Солнца. А для синтеза тяжёлых элементов в недрах звезды необходимы большие массы. Количество водорода в этих звёздах незначительно. Однако газовые оболочки богаты водородом и гелием.

Некоторые астрономы считают, что 50-95 % всех белых карликов возникли не из планетарных туманностей. Таким образом, хотя часть белых карликов целиком связана с планетарными туманностями, по крайней мере половина или более из них произошли от нормальных звёзд главной последовательности, не проходящих через стадию планетарной туманности.

Полная картина образования белых карликов туманна и неопределенна. Отсутствует так много деталей, что в лучшем случае описание эволюционного процесса можно строить лишь путём логических умозаключений. И тем не менее общий вывод таков: многие звёзды теряют часть вещества на пути к своему финалу, подобному стадии белого карлика, и затем скрываются на небесных «кладбищах» в виде чёрных, невидимых карликов.

СВЕРХНОВЫЕ

Около семи тысяч лет назад в отдалённом уголке космического пространства внезапно взорвалась звезда, сбросив с себя наружные слои вещества. Сравнительно большая и массивная звезда вдруг столкнулась с серьёзной энергетической проблемой - её физическая целостность оказалась под угрозой. Когда была пройдена граница устойчивости, разразился захватывающий, чрезвычайно мощный, один из самых катастрофических во всей Вселенной взрывов, породивший сверхновую звезду.

Шесть тысяч лет мчался по космическим просторам свет от этой звезды из созвездия Тельца и достиг наконец Земли. Это случилось в 1054г. В Европе наука была тогда погружена в дрему, и у арабов она переживала период застоя, но в другой части Земли наблюдатели заметили объект, величественно сверкающий на небе перед восходом Солнца.

Четвёртого июля 1054г. китайские астрономы, вглядываясь в небо, увидели светящийся небесный объект, который был много ярче Венеры. Его наблюдали в Пекине и Кайфыне и назвали "звездой-гостьей". Это был самый яркий после Солнца объект на небе. В течение 23 дней, вплоть до 27 июля 1054 г., он был виден даже днём. Постепенно объект становился слабее, но всё же оставался видимым для невооружённого глаза ещё 627 дней и наконец исчез 17 апреля 1056г. Это была ярчайшая из всех зарегистрированных сверхновых - она сияла как 500 млн. Солнц. Если бы она находила от нас на таком расстоянии, как ближайшая к нам звезда альфа Центавра, то даже самой тёмной ночью при её свете мы могли бы свободно читать газету - она светила бы значительно ярче, чем полная Луна.

В европейских хрониках тех лет нет никаких упоминаний о данном событии, но не следует забывать, что то были годы средневековья, когда на европейском континенте почти угас свет науки.

Один интересный момент в истории открытия этой звезды. В 1955 г. Уильям Миллер и Гельмут Абт из обсерваторий Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар обнаружили доисторические пиктограммы на стене одной пещеры в скале каньона Навахо в Аризоне. В каньоне изображение было высечено на камне, а в пещере - нарисовано куском гематита - красного железняка. На обоих рисунках изображён кружок и полумесяц. Миллер истолковывает эти фигуры как изображение лунного серпа и звезды; по его мнению, они, возможно, отображают появление сверхновой в 1054г. Для такого заключения есть два основания: во-первых, в 1054г., когда вспыхнула сверхновая, фаза Луны и её расположение относительно сверхновой были именно такими, как показано на рисунке.

Во-вторых, по найденным в тех местах глиняным черепкам установлено, что около тысячи лет назад в этой местности обитали индейцы. Таким образом, рисунки, по-видимому, являются художественным изображением сверхновой, сделанным древними индейцами.

После фотографирования и тщательного исследования участка неба, где находилась сверхновая, было обнаружено, что остатки сверхновой образуют сложную хаотическую расширяющуюся газовую оболочку, заключающую несколько звёзд. Весь этот комплекс из газа и звёзд был назван Крабовидной туманностью. Источником вещества туманности является одна из центральных звёзд, та самая, которая взорвалась семь тысяч лет назад. Это нейтронная звезда. Она имеет температуру 6-7 млн. К и чрезвычайно малый диаметр. По фотографиям и спектрограммам можно определить физические характеристики звезды.

В результате исследования выяснилось, что в Крабовидной туманности различаются два типа излучающих областей. Во-первых, это волокнистая сетка, состоящая из газа, нагретого до нескольких десятков тысяч градусов и ионизированного под действием интенсивного ультрафиолетового излучения центральной звезды; газ включает в себя водород, гелий, кислород, неон, серу. И во-вторых, большая светящаяся аморфная область, на фоне которой мы видим газовые волокна.

По фотографиям, сделанным около двенадцати лет назад, обнаружено, что некоторые из волокон туманности движутся от её центра наружу. Зная угловые размеры, а также приблизительно расстояние и скорость расширения, учёные определили, что около девяти столетий назад на месте туманности был точечный источник. Таким образом удалось установить прямую связь между крабовидной туманностью и тем взрывом сверхновой, который почти тысячу лет назад наблюдали китайские и японские астрономы.

Вопрос о причинах взрывов сверхновых по-прежнему остаётся предметом дискуссий и служит поводом для выдвижения противоречивых гипотез.

Звезда с массой, превосходящей солнечную примерно на 20%, может со временем стать неустойчивой. Это показал в своём блестящем теоретическом исследовании, сделанном в конце 30-х годов нашего столетия, астроном Чандрасекар. Он установил, что подобные звёзды на склоне жизни порой подвергаются катастрофическим изменениям, в результате чего достигается некоторое равновесное состояние, позволяющее звезде достойно завершить свой жизненный путь. Многие астрономы занимались изучением последних стадий звёздной эволюции и исследованием зависимости эволюции звезды от её массы. Все они пришли к одному выводу: если масса звезды превышает предел Чандрасекара, её ожидают невероятные изменения.

Устойчивость звезды определяется соотношением между силами гравитации, стремящимися сжать звезду, и силами давления, расширяющими её изнутри. Мы также знаем, что на последних стадиях звёздной эволюции, когда истощаются запасы ядерного горючего, это соотношение обеспечивается за счёт эффекта вырождения, которое может привести звезду к стадии белого карлика и позволит ей провести остаток жизни в таком состоянии. Став белым карликом, звезда постепенно остывает и заканчивает свою жизнь, превратившись в холодный, безжизненный, невидимый звёздный шлак.

Если масса звезды превосходит предел Чандрасекара, эффект вырождения уже не в состоянии обеспечить необходимое соотношение давлений. Перед звездой остаётся только один путь для сохранения равновесия - поддерживать высокую температуру. Но для этого требуется внутренний источник энергии. В процессе обычной эволюции звезда постепенно использует для этого ядерное горючее. Однако как может звезда добыть энергию на последних стадиях звёздной эволюции, когда ядерное топливо, регулярно поставляющее энергию, на исходе? Конечно она ещё не энергетический «банкрот», она большой, массивный объект, значительная часть массы которого находится на большом расстоянии от центра, и у неё в запасе ещё есть гравитационная энергия. Она подобна камню, лежащему на вершине высокой горы, и благодаря своему местоположению обладающему потенциальной энергией. Энергия заключённая во внешних слоях звезды, как бы находится в огромной кладовой, из которой в нужный момент её можно извлечь.

Итак, чтобы поддерживать давление, звезда теперь начинает сжиматься, пополняя таким образом запас своей внутренней энергии. Как долго продолжается это сжатие? Фред Хойл и его коллеги тщательно исследовали подобную ситуацию и пришли к выводу, что в действительности происходит катастрофическое сжатие, за которым следует катастрофический взрыв. Толчком взрыву, избавляющему звезду от избытка массы, является значение плотности, создаваемое при сжатии. Избавившись от избыточной массы, звезда тут же возвращается на путь обычного угасания.

Наибольший интерес для учёных представляет процесс, в ходе которого шаг за шагом осуществляется постепенное выгорание ядерного топлива. Для расчёта этого процесса используется информация, полученная из лабораторных опытов; огромную роль при этом играют современные быстродействующие вычислительные машины. Хойл и Фаулер смоделировали с помощью ЭВМ процесс энерговыделения в звезде и проследили её ход. В качестве примера они взяли звезду, масса которой втрое превосходит солнечную, то есть звезду, находящуюся далеко за пределом Чандрасекара. Звезда с такой массой должна иметь светимость, в 60 раз превышающую светимость Солнца, и время жизни около 600 млн. лет.

В ходе обычных термоядерных реакций, протекающих в недрах звезды почти в течение всей её жизни, водород превращается в гелий. После того как значительная часть вещества звезды превратится в гелий, температура в её центре возрастает. При увеличении температуры примерно до 200 млн. К ядерным горючим становится гелий, который затем превращается в кислород и неон. Таким образом, гелиевое ядро начинает порождать более тяжёлое ядро, состоящее из двух этих химических элементов. Теперь звезда становится многослойной энергопроводящей системой. В тонкой оболочке, по одну сторону от которой находится водород, а по другую гелий, происходит превращение водорода в гелий; эта реакция идёт с выделением энергии. Поэтому, пока такая реакция осуществляется, температура ядра звезды неуклонно растёт. Сжатие звезды ведёт к уплотнению её ядра и росту температуры в центре до 200-300 млн. К. Но даже при столь высоких температурах кислород и неон вполне устойчивы и не вступают в ядерные реакции. Однако через некоторое время ядро становится ещё плотнее, температура удваивается, теперь она уже равняется 600 млн. К. И тогда ядерным топливом становится неон, который в ходе реакций превращается а магний и кремний. Образование магния сопровождается выходом свободных нейтронов. Когда звезда родилась из праматерии, она уже содержала некоторые металлы группы железа. Свободные нейтроны, вступая в реакцию с этими металлами, создают атомы более тяжёлых металлов - вплоть до урана - самого тяжёлого из природных элементов.

Но вот израсходован весь неон в ядре. Ядро начинает сжиматься, и снова сжатие сопровождается ростом температуры. Наступает следующий этап, когда каждые два атома кислорода, соединяясь, порождают атом кремния и атом гелия. Атомы кремния, соединяясь попарно, образуют атомы никеля, которые вскоре превращаются в атомы железа. В ядерные реакции, сопровождающиеся возникновением новых химических элементов, вступают не только нейтроны, но также протоны и атомы гелия. Появляются такие элементы, как сера, алюминий, кальций, аргон, фосфор, хлор, калий. Температура ядра поднимается до полутора миллиардов градусов. По-прежнему продолжается образование более тяжёлых элементов с использованием свободных нейтронов, но на этой стадии из-за большой температуры происходят некоторые новые явления.

Хойл считает, что при температурах порядка миллиарда градусов возникает мощное гамма-излучение, способное разрушать ядра атомов. Нейтроны и протоны отрываются от ядер, но этот процесс обратимый: частицы вновь соединяются, создавая устойчивые комбинации. Когда температура превысит 1,5 млрд. К, более вероятными становятся процессы распада ядер. Любопытным и неожиданным оказался следующий результат: при дальнейшем увеличении температуры и усилении процессов разрушения и соединения ядра в итоге присоединяют всё больше и больше частиц и, как следствие этого, возникают более тяжёлые химические элементы. Так, при температурах 2-5 млрд. К рождаются титан, ванадий, хром, железо, кобальт, цинк, и др. Но из всех этих элементов наиболее представлено железо. Как и прежде, при превращении лёгких элементов в тяжёлые вырабатывается энергия, удерживающая звезду от коллапса. Своим внутренним строением звезда теперь напоминает луковицу, каждый слой которой заполнен преимущественно каким-либо одним элементом.

Как отмечает Хойл, с образованием группы железа звезда оказывается накануне драматического взрыва. Ядерные реакции, протекающие в железном ядре звезды, приводят к превращению протонов в нейтроны. При этом испускаются потоки нейтрино, уносящие с собой в космическое пространство значительное количество энергии звезды. Если температура в ядре звезды велика, то эти энергетические потери могут иметь серьёзные последствия, так как они приводят к снижению давления излучения, необходимого для поддержания устойчивости звезды. И как следствие этого, в действие опять вступают гравитационные силы, призванные доставить звезде необходимую энергию. Силы гравитации всё быстрее сжимают звезду, восполняя энергию, унесённую нейтрино. Как и прежде сжатие звезды сопровождается ростом температуры, которая в конце концов достигает 4-5 млрд. К. Теперь события развиваются несколько иначе. Ядро, состоящее из элементов группы железа, подвергается серьёзным изменениям: элементы этой группы уже не вступают в реакции с образованием более тяжёлых элементов, а начинают снова превращаться в гелий, испуская при этом колоссальный поток нейтронов. Большая часть этих нейтронов захватывается веществом внешних слоёв звезды и участвует в создании тяжёлых элементов.

На этом этапе, как указывает Хойл, звезда достигает критического состояния. Когда создавались тяжёлые химические элементы, энергия высвобождалась в результате слияния лёгких ядер. Тем самым огромные её количества звезда выделяла на протяжении сотен миллионов лет. Теперь же конечные продукты ядерных реакций вновь распадаются, образуя гелий: звезда оказывается вынужденной восполнить утраченную ранее энергию. Остаётся последнее её достояние - гравитация. Но чтобы звезда могла воспользоваться этим резервом, плотность её ядра должна увеличиваться крайне быстро, то есть ядро должно резко сжаться; происходит «взрыв внутрь», отрывающий ядро звезды от её внешних слоёв. Он должен произойти за считанные секунды. Это и есть начало конца массивной звезды.

Имплозия, или взрыв внутрь, устраняет давление, поддерживавшее внешние слои звезды, её оболочку, и с этого момента оболочка, сжимаясь, начинает падать на ядро. Падение сопровождается выделением колоссального количества энергии - так ещё раз проявляет себя гравитация. Выделение энергии приводит в свою очередь к резкому повышению температуры (примерно 3 млрд. К), и падающая оболочка звезды оказывается в необычных для неё температурных условиях. Для звезды с температурой ядра, равной 2,5 млрд. К, лёгкие элементы оболочки служат потенциальным ядерным топливом. Но чтобы обеспечить свечение во время взрыва, температура должна подняться выше этого значения - до 3 млрд. К. В течение секунды кинетическая энергия звезды превращается в тепловую, и вещество оболочки нагревается. При такой высокой температуре более лёгкие элементы - в основном кислород - проявляют взрывную неустойчивость и начинают взаимодействовать. Подсчитано, что за время меньше секунды в ходе этих ядерных реакций выделяется энергия, равная энергии, которую Солнце излучает за миллиард лет! Внезапно освободившаяся энергия срывает со звезды её наружные слои и выбрасывает их в космическое пространство со скоростью, достигающей нескольких тысяч километров в секунду. На эти слои приходится значительная часть массы звезды. Газовая оболочка удаляется от звезды образуя туманность, которая простирается на многие миллионы миллионов километров.

Газ по инерции продолжает удаляться от звезды до тех пор, пока, возможно через 100 000 лет, вещество туманности не станет настолько разряженным и диффузным, что больше уже не сможет возбуждаться коротковолновым излучением очень горячей материнской звезды ; тогда мы перестанем его видеть. Но самое главное: как в взорвавшемся веществе, так и в межзвёзном газе присутствует магнитное поле. Сжатие газа за фронтом ударной волны вызывает сжатие силовых линий и повышение напряжённости межзвёздного магнитного поля, что в свою очередь приводит к увеличению энергии электронов, и их ускорению. В результате остаётся сверхгорячая звезда, масса которой уменьшилась именно настолько, чтобы она могла достойно угаснуть и умереть. По всей вероятности она станет нейтронной звездой, масса которой в 1,2-2 массы Солнца. Если же её масса более, чем вдвое превышает массу Солнца, то она в конечном счёте может превратиться в чёрную дыру.