Концепции современного естествознания

Окружающий нас мир современная наука разделяет на три области: микромир, макромир и мегамир (рис. 5.1). Это стало возможным в результате многовекового изучения природы человеком. Микромир -- это область природы, доступная человеку через посредство приборов (микроскопы, рентгеноанализ и др.). Закономерности здесь для нас непонятны, и мы экстраполируем сюда наши понятия. Макромир -- это область природы, доступная нам, т. е. область наших закономерностей. Мегамир нам труднодоступен; это область крупных объектов, больших размеров и расстояний между ними. Эти закономерности мы изучаем опосредованно. В этих областях имеется следующая иерархия объектов: микромир -- это вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки; макромир -- это макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера; мегамир -- это планеты, звезды, галактики, Метагалактика, Вселенная.

5.2 Краткая характеристика микромира

На случаи наталкиваются именно те ученые, которые делают все, чтобы на них натолкнуться.

К. Тимирязев

Вакуум. По представлениям современной науки, вакуум -- это отнюдь не пустота или "отсутствие всякого присутствия". Вакуум представляет собой физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованные порции энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей какой-то энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами. Однако воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей -- тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором фундаментальных постоянных. В одной из таких областей, видимо случайно, получился набор, годный для появления разумных существ. В ней мы и живем. О других вселенных мы пока ничего не знаем и можем лишь догадываться об их существовании.

Элементарные частицы. По современным представлениям, все элементарные частицы являются наименьшими "кирпичиками", из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

Все известные элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют составное строение: состоят из истинно элементарных частиц-кварков. И причем допускается существование шести типов кварков.

Стабильными, т. е. живущими в свободном состоянии неограниченно долго, частицами являются протон, электрон, фотон и, по-видимому, нейтрино всех типов. Время жизни протона составляет 1031 лет. Самыми короткоживущими образованиями являются резонансы -- их время жизни порядка 10-23 с. В самой природе короткоживущие элементарные образования могут играть роль при самых экстремальных условиях существования вещества и поля, например: в "начальных" стадиях эволюции Вселенной, при образовании таких астрофизических объектов, как "черные дыры", в формировании сердцевины нейтронных звезд.

Объединение релятивистских и квантовых представлений, осуществленное в значительной степени еще в 30-е годы, привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний в физике -- открытию мира античастиц. Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода. Античастицы могут собираться в антивещество. Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества. Частицы и их античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения, что указывает на отсутствие "антигравитации".

Ядра. Атомные ядра -- это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра. Известны ядра с зарядом, равным от одного заряда протона до 109 зарядов протона и с числом протонов и нейтронов (т. е. нуклонов) от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами, т. е. обладающими наибольшей энергией связи, являются ядра с числами протонов и нейтронов 2,8,20,28,50,82,126, называемых магическими. Плотность числа частиц в многонуклонных ядрах порядка 1044 нуклонов/м3, а плотность массы 1017 кг/м3. "Радиусы" ядер изменяются от2х10-15м (ядро гелия) до 7 х 10-15 м (ядро урана). Ядра имеют форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида (или еще более сложную).

Ядро как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состояния ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными). Время, за которое из любого макроскопического количества нестабильных ядер распадается половина, называют периодом полураспада. Периоды полураспада известных нам элементов изменяются в пределах примерно от 1018 лет до 10-10 с.

Атомы. Они состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов. В отличие от "плотной упаковки" ядерных частиц атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Существуют жесткие правила "заселенности" электронами орбит вокруг ядра. Электроны, находящиеся на самых верхних этажах "атомного дома", определяют реакционную способность атомов, т. е. их способность вступать в соединение с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна. У большинства элементов атомы химически нестабильны. Атом стабилен, если его внешняя оболочка заполнена определенным числом электронов (2,8 и др.). Атомы с незаполненными внешними оболочками вступают в химические реакции, образуя связи с другими атомами.

Молекулы. Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь возможна в том случае, если совместная орбита целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет миллионы. Качественно молекула -- это определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы. Поскольку электроны в молекулах обобществлены, атомы теряют свою индивидуальность. При затрате определенной энергии устойчивая молекула может быть разложена на атомы.

Некоторые атомы (например, углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования еще более сложных структур (макромолекул), которые проявляют уже биологические свойства, т. е. свойства живого (рис. 5.2).

Клетка. За 3 млрд лет существования на нашей планете живое вещество развилось в несколько миллионов видов, но все они -- от бактерий до высших животных -- состоят из клеток. Клетка -- это организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке. Клетки служат элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни. Клетка состоит из ядра и цитоплазмы (рис. 5.3).

От окружающей среды клетка отделена плазматической мембраной, которая регулирует обмен между внутренней и внешней средой и служит границей клетки. В каждой клетке содержится генетический материал в форме ДНК, регулирующей жизнедеятельность и самовоспроизведение. Размеры клеток измеряются в микрометрах (мкм) -- миллионных долях метра и нанометрах (нм) -- миллиардных долях. Например, соматическая животная клетка средних размеров имеет 10-20 мкм в диаметре, растительная -- 30-50 мкм; длина хлоропласта цветкового растения -- 5-10 мкм, бактерии -- 2 мкм. Клетки существуют как самостоятельные организмы (простейшие бактерии) или входят в состав многоклеточных организмов. Половые клетки служат для размножения, соматические (от греч. soma -- "тело") клетки отличаются по строению и функциям (нервные, мышечные, костные). Клетки отличаются своими размерами, формой. В клетках имеются органеллы, выполняющие свой набор функций.

5.3 Краткая характеристика макромира

Очевидное -- это то, чего никогда

не видишь, пока кто-нибудь

не сформулирует это достаточно

просто.

Калил Гибран

Макротела (вещество). При определенных условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности -- макроскопические тела (вещество). Вещество -- вид материи; то, из чего состоит весь окружающий мир. Вещества состоят из мельчайших частиц -- атомов, молекул, ионов, элементарных частиц, имеющих массу и находящихся в постоянном движении и взаимодействии. Существует огромное множество веществ, различных по составу и свойствам. Каждый день ученые-химики осуществляют синтез новых соединений, и к настоящему времени зарегистрировано более 10 млн различных веществ, среди которых большую долю составляют вещества, полученные искусственно. Вещества делятся на простые, сложные, чистые, неорганические и органические. Свойства веществ можно объяснить и предсказать на основе их состава и строения.

Вещество простое состоит из частиц (атомов или молекул), образованных атомами одного химического элемента. Например, 02 (кислород), 03 (озон), S (сера), Ne (неон) -- простые вещества.

Вещество сложное состоит из частиц, образованных атомами различных химических элементов. Например, H2S04 (серная кислота); FeS (сульфид железа); СН4 (метан) -- сложные вещества.

Вещество чистое -- вещество, состоящее из одинаковых частиц (молекул, атомов, ионов), обладающее определенными специфическими свойствами. Для очистки веществ от примесей используют различные методы: перекристаллизацию, дистилляцию, фильтрование.

Вещества неорганические -- это химические соединения, образуемые всеми химическими элементами (кроме соединений углерода, относящихся к органическим веществам). Неорганические вещества образуются на Земле и в космосе под воздействием природных физико-химических факторов. Известно около 300 тысяч неорганических соединений. Они образуют практически всю литосферу, гидросферу и атмосферу Земли. В их состав могут входить атомы всех химических элементов, известных в настоящее время, в различных сочетаниях и количественных соотношениях. Кроме того, огромное количество неорганических веществ получают в научных лабораториях и на химических предприятиях искусственно. Все неорганические вещества делятся на группы со сходными свойствами (классы неорганических соединений). Ныне известно более ста химических элементов. Из них образовались более десяти миллионов химических соединений или веществ. Из всех веществ 96% составляют органические соединения, образованные из 6-18 элементов. Остальные 95--99 химических элементов образовали 300 тыс. неорганических соединений.

Основу живых веществ составляют только шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%. Остальные 12 элементов являются физиологически важными компонентами биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, алюминий, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, весовая доля которых составляет 1,6%.

Вещества органические -- это соединения углерода с некоторыми другими элементами: водородом, кислородом, азотом, серой. Из соединений углерода к органическим не относятся оксиды углерода, угольная кислота и ее соли, являющиеся неорганическими соединениями. Название "органические" эти соединения получили в связи с тем, что первые представители этой группы веществ были выделены из тканей организмов. Долгое время считалось, что подобные соединения нельзя синтезировать в пробирке, вне живого организма. Однако в первой половине XIX в. ученым удалось получить искусственно вещества, которые ранее извлекали только из тканей животных и растений или продуктов их жизнедеятельности: мочевину, жир и сахаристое вещество. Это послужило доказательством возможности искусственного получения органических веществ и началом новых наук -- органической химии и биохимии. Органические вещества обладают рядом свойств, отличающих их от неорганических веществ: они неустойчивы к действию высоких температур; реакции с их участием протекают медленно и требуют особых условий. К органическим соединениям относятся нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, липиды, гормоны, витамины и многие другие вещества, играющие основную роль в построении и жизнедеятельности растительных и животных организмов. Пища, топливо, многие лекарства, одежда -- все это состоит из органических веществ. В настоящее время известно более 10 млн органических соединений, имеющих природное происхождение, а кроме того, буквально ежедневно в мире производится искусственный синтез органических веществ, для многих из которых пока не найдена область практического применения.

Структурные уровни материи приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 Структурные уровни материи

Индивид. Жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это в равной мере присуще микроорганизмам, растениям, грибам и животным, хотя в указанных царствах индивиды имеют различное морфологическое содержание. Так, одноклеточные состоят из ядра, цитоплазмы, множества орга-нелл и мембран, макромолекул и т. д. Сложность индивидуума у многоклеточных во много раз выше, поскольку он образован из миллионов и миллиардов клеток. Но одноклеточная и многоклеточная особи обладают системной организацией и регуляцией и выступают как единое целое. Индивид (индивидуум, особь) -- элементарная неделимая единица жизни на Земле. Разделить индивид на части без потери "индивидуальности" невозможно. Конечно, в ряде случаев вопрос об определении границ индивида, особи не столь прост и самоочевиден. С эволюционной точки зрения индивидуумом следует считать все морфофизиологические единицы, происходящие от одной зиготы, гаметы, споры, почки и индивидуально подлежащие действию элементарных факторов. На онтогенетическом уровне единицей жизни служит индивид с момента ее возникновения до смерти. Через оценку индивидуума в процессе естественного отбора происходит проверка жизнеспособности данного генотипа. Индивиды в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации на популяционно-видовом уровне. Вид. Сущность биологической концепции вида заключается в признании того, что виды реальны, состоят из популяций, а все особи вида имеют общую генетическую программу, которая возникла в ходе предшествующей эволюции. Виды определяются не столько различиями, сколько обособленностью. Из биологической концепции вида вытекают критерии, позволяющие отличать один вид от другого: 1. Морфологический критерий вида есть характеристика особенностей строения, совокупность его признаков. 2. Генетический критерий утверждает, что каждый вид имеет свойственный ему набор хромосом, характеризующийся определенным числом хромосом, их структурой и дифференциальной окраской. 3. Эколого-географический критерий вида включает как ареал обитания, так и непосредственную среду обитания вида -- его экологическую нишу. 4. К важнейшей характеристике вида, размножающегося половым путем, относится репродуктивная изоляция. Он является результатом эволюции всей генетической системы данного вида и охраняет его от проникновения генетической информации извне. Итак, каждый критерий в отдельности недостаточен для определения вида, только в совокупности они позволяют точно выяснить видовую принадлежность живого организма. Наиболее существенной характеристикой вида является то, что он представляет собой генетически единую систему.

Таким образом, вид -- совокупность географически и экологически близких популяций, способных в природных условиях скрещиваться между собой, имеющих единый генетический фонд, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биологически изолированных от популяций других видов.

Популяция. Совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, размножающихся путем свободного скрещивания и в той или иной степени изолированных друг от друга, называют популяцией. В генетическом смысле популяция -- это пространственно-временная группа скрещивающихся между собой особей одного вида. Популяция является элементарной биологической структурой, способной к эволюционным изменениям. Популяции оказываются элементарными единицами, а виды -- качественными этапами процесса эволюции. Совокупность генотипов всех особей популяции образует генофонд. Популяции и виды, несмотря на то что состоят из множества особей, целостны. Целостность популяций и видов связана с взаимодействием особей в популяциях и поддерживается обменом генетического материала в процессе полового размножения. Популяции и виды всегда существуют в определенной среде, включающей как биотические, так и абиотические компоненты. Конкретная среда протекания процесса эволюции, идущего в отдельных популяциях, -- сообщество, биоценоз.

Сообщество. Популяции разных видов всегда образуют в биосфере Земли сложные сообщества -- биоценозы. Биоценоз -- совокупность растений, животных, грибов и прокариот, населяющих участок суши или водоема и находящихся в определенных отношениях между собой. Вместе с конкретными участками земной поверхности, занимаемыми биоценозами, и атмосферой сообщество составляет экосистему. Экосистема -- взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергий. Биогеоценоз -- это такая экосистема, внутри которой не проходят биогенетические, микроклиматические, почвенные и гидрологические границы. Биогеоценоз -- одна из наиболее сложных природных систем. Внешне заметные границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ. Все группы экосистемы -- продукт совместного исторического развития видов, различающихся по систематическому положению. Первичной основой для сложения биогеоценозов служат растения и прокариоты -- продуценты органического вещества (автотрофы). В ходе эволюции до заселения растениями и микроорганизмами определенного пространства биосферы не могло быть и речи о заселении его животными. Растения и прокариоты представляют жизненную среду для животных-гетеротрофов. Биогеоценозы -- среда для эволюции входящих в них популяций. Популяции разных видов в биогеоценозах взаимодействуют друг на друга по принципу прямой и обратной связи. В целом жизнь биогеоценоза регулируется в основном силами, действующими внутри самой системы, т. е. можно говорить о саморегуляции биогеоценоза. Автономность и саморегуляция биогеоценоза определяют его ключевое положение в биосфере нашей планеты как элементарной единицы на биогеоценотическом уровне.

Биосфера. Взаимосвязь разных сообществ, обмен между ними веществом и энергией позволяют рассматривать все живые организмы Земли и среду их обитания как одну очень протяженную и разнообразную экосистему -- биосферу. Биосфера -- те части земных оболочек (лито, гидро- и атмосферы), которые на протяжении геологической истории подвергались влиянию живых организмов и несут следы их жизнедеятельности. Биогеоценозы, образующие в совокупности биосферу нашей планеты, взаимосвязаны круговоротом веществ и энергии. В этом круговороте жизнь на Земле выступает как ведущий компонент биосферы. Биогеоценоз представляет собой незамкнутую систему, имеющую энергетические "входы" и "выходы", связывающие соседние биогеоценозы. Обмен веществ между соседними биогеоценозами может осуществляться в газообразной, жидкой и твердой фазах, а также в форме живого вещества (миграции животных). Кроме живого вещества в составе биосферы есть косное (неживое) вещество, а также слржные по своей природе биокосные тела. В их состав входят как живые организмы, так и видоизмененное неживое вещество. К биокосным телам относятся почвы, илы, природные воды.

5.4 Краткая характеристика мегамира

В необъятной Вселенной безмерно долгое время будут возникать для нас, один за другим, новые нерешенные вопросы; таким образом, перед человеком лежит уходящий в бесконечность путь научного труда...

Академик Ф. А. Бредихин

Планеты. Начальной ступенью в иерархии объектов мегамира являются планеты (в переводе с греческого -- "блуждающие"). Планеты -- это небесные тела, обращающиеся обычно вокруг звезд, отражающие их свет и не имеющие собственного видимого излучения. По размерам и массам они значительно меньше звезд. Земля меньше Солнца по размеру в 109 раз, а по массе 333 000 раз. Многие планеты имеют спутники, обращающиеся вокруг них. Одной из планет является Земля. Спутником Земли является Луна. Земля входит в состав планет Солнечной системы. В Солнечной системе 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля с Луной, Марс с Фобосом и Деймосом, Юпитер с 16 спутниками, Сатурн с 17 спутниками, Уран с 16 спутниками, Нептун с 10 спутниками, Плутон с Хароном1. Между орбитами Марса и Юпитера находятся более 5000 малых планет. Солнечной системе принадлежат также кометы и метеорные тела. В настоящее время неизвестно, имеются ли в Солнечной системе планеты, еще более удаленные от Солнца, чем Плутон; Можно только утверждать, что если такие планеты и есть, то они сравнительно невелики.

Астрофизики полагают, что 10% всех звезд имеют планетные системы. У 10 ближайших нам звезд они достоверно обнаружены. Например, одна из близких к Земле звезд -- "летящая" Барнарда -- имеет три планеты массами примерно равными массе Юпитера. Полагается, если скорость вращения звезд меньше (несколько км/с), чем обычно бывает у звезд (несколько десятков км/с), то они имеют планетную систему.

Звезды. Наиболее распространенными объектами окружающего нас материального мира являются звезды. Изученная нами часть окружающего пространства заполнена огромным количеством звезд -- самых больших небесных тел, подобных нашему Солнцу, вещество которых находится в состоянии плазмы. Они имеют собственные видимые излучения и характеризуются различными размерами, массами, светимостями и временами жизни. По размерам есть звезды больше Солнца в 1000 раз и составляющие 0,003 доли размера Солнца. По массе есть звезды массивнее Солнца до 80 раз, а есть составляющие до 0,05 доли массы Солнца. На поверхности Солнца температура составляет 6000 К. Некоторые звезды имеют на поверхности температуру 50 000 К, а другие всего 3000 К. Возраст звезд составляет от 10 млн до 100 млрд лет. Центральные области звезд и Солнца характеризуются температурой более 107 К и давлением - 1011 атм. При этом становятся возможными термоядерные реакции, результатом которых является слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия. Эта ядерная реакция служит источником энергии звезд.

Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния, и тем самым практически изолированы. В окрестностях Солнца среднее расстояние между звездами примерно в 10 млн раз больше, чем средний диаметр звезд. Даже самая близкая к нам звезда -- Проксима Центавра -- удалена от нас на такое большое расстояние, что по сравнению с ним межпланетные расстояния в пределах Солнечной системы кажутся мизерными.

Галактики. Звезды рассеяны в пространстве неравномерно, они образуют связанные силами тяготения системы, называемые галактиками. Число звезд в галактиках порядка 1011-1012. Галактики имеют в большинстве своем эллипсоидальную, спиральную или сплюснутую форму. Расстояние от одного края галактики до другого десятки и сотни тысяч световых лет, т. е. 104--105 световых лет. Расстояния между отдельными галактиками еще больше -- они в десятки раз превосходят размеры самих галактик. Число звезд в каждой галактике огромно -- от сотен миллионов до сотен миллиардов звезд. С Земли галактики видны как слабые туманные пятна, и поэтому их раньше называли внегалактическими туманностями. Только в близких к нам галактиках и только на фотографиях, полученных самыми большими телескопами, можно рассмотреть отдельные звезды в них. Внутри галактик звезды распределены также неравномерно, концентрируясь к их центрам и образуя различные скопления. Пространство между звездами в галактиках и пространство между галактиками заполнено материей в виде газа, пыли, элементарных частиц, электромагнитного излучения и гравитационных полей. Плотность вещества межзвездной и межгалактической среды очень низка. Солнце, большинство звезд и звездных скоплений, наблюдаемых на небе, образуют систему, которую мы называем нашей Галактикой. Огромное количество входящих в нее слабых звезд представляется невооруженному глазу белесой полосой, проходящей через все небо и называемой Млечным путем. Систематические исследования распределения галактик в пространстве стали проводить лишь в первой половине XX в. Эти исследования показали, что галактики распределены по небу примерно равномерно. Выяснилось, что при этом галактики, подобно звездам, образуют группы и скопления. Так, наша Галактика, туманность Андромеды, галактика Треугольника, Большое и Малое Магеллановы Облака и еще несколько звездных систем меньших размеров образуют Местную группу из 35 галактик, размеры которых достигают сотни тысяч парсек. Галактики Местной группы связаны общим тяготением и движутся вокруг общего центра масс. В среднем диаметры скоплений галактик близки к 8 Мпк. Наблюдение картины распределения галактик по небу показывает, что оно имеет сетчатую структуру. Галактики имеют тенденцию располагаться по границам гигантских ячеек, внутри которых они практически отсутствуют.

Метагалактика и Вселенная. По-видимому, ячеистая структура распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики -- видимой части Вселенной. Самые далекие объекты Метагалактики, которые наблюдаются в настоящее время, -- это квазары. От наиболее удаленных квазаров свет доходит до нас более чем за 10 млрд лет.

Под Вселенной понимают весь окружающий нас известный нам и неизвестный мир, т. е. все сущее. Известная часть Вселенной, называемая Метагалактикой, -- это объем, заполненный звездами, галактиками и имеющий диаметр ~ 1028см. Радиус Метагалактики оценивается примерно в 5 млрд световых лет, причем эта цифра может еще быть увеличена. Возможно, что Метагалактика имеет форму диска и вращается вокруг своей оси за период 1011-1012 лет. Но все эти цифры носят условный характер, так как имеется слишком мало данных наблюдений. Ясно также, что Метагалактикой не исчерпывается вся Вселенная и за ее пределами существует бесчисленное множество других систем различной структурной организации. Число открываемых внегалактических туманностей растет с каждым годом. Современным средствам астрономических исследований доступна колоссальная область пространства диаметром около 10 млрд световых лет.

Чтобы определить расстояния до таких галактик, можно привести такой пример. Луч света начал свое движение с этих миров, когда на Земле происходили первичные тектонические процессы, но еще не было жизни. Когда свету осталось пройти до Земли одну двухтысячную часть своего пути, на Земле появились первые человекообразные существа. За это время на Земле сменилось 40 000 поколений людей, пока наконец не были созданы телескопы и фотопластинки, способные воспринять послание от этих необычайно удаленных миров. Но те расстояния, которые свет может пройти лишь за миллиарды лет, научная теория охватывает за неизмеримо более короткие отрезки времени.

По некоторым данным, наша Галактика находится от центра Метагалактики на расстоянии в несколько десятков миллионов световых лет и движется вокруг центра со скоростью около 1000 км/сек. Границу Метагалактики называют горизонтом познания Вселенной.

Во Вселенной все находится в движении. Движутся планеты и их спутники, кометы и метеорные тела; движутся Солнце и звезды в галактиках, движутся галактики относительно друг друга. Как нет пространства без материи, так нет и материи без движения.

ВЫВОДЫ

Современная наука окружающий нас мир структурно разделяет на микро-, макро- и мегамиры. По мере возрастания размеров микромир имеет следующую структуру: вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки. Макромир имеет следующую структуру: вещество, индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера. В мегамир входят: планеты, звезды, галактика, Метагалактика, Вселенная.

В современной науке все более четко отражается мысль о сложной микроструктуре вакуума. Применение квантовой теории к электромагнитному полю и полям, описывающим частицы в вакууме, привело Дирака к предсказанию существования античастиц и формированию нового взгляда на пустоту.

Ядра -- это связанные системы протонов и нейтронов, т. е. элементарных частиц. Атом есть наименьшая структурная единица химического элемента. С развитием науки было установлено, что атом имеет "планетарную" модель строения, т. е. состоит из ядра и обращающихся вокруг него электронных орбит. Учение об атомистическом строении материи, связанное с делимостью веществ, зародилось еще в древности. Молекула является наименьшей структурной единицей сложного химического соединения -- вещества.

При определенных условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности -- макроскопические тела (вещество). Простое вещество является атомарным, сложное молекулярным.

Вид -- это группа скрещивающихся между собой организмов, которые не могут скрещиваться с представителями других таких групп. На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, в том числе позвоночных -- 70 тыс., птиц -- 16 тыс., млекопитающих -- 12 540 видов.

Популяцией называется группа организмов, относящихся к одному или близким видам, занимающая определенную область, называемую местообитанием. Сообществом, или биоценозом, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза. Биосферу можно определить как систему биогеоценозов или живых сообществ, т. е. совокупность живых организмов, ограниченную в пространстве и во времени, обитающую на поверхности Земли, а также взаимодействия живых систем со средой их обитания.

7. Следующей ступенью в иерархии объектов природы являются макротела астрономического масштаба -- планеты. Наиболее распространенными объектами окружающего нас ма териального мира являются звезды -- небесные тела, подобные нашему Солнцу и находящиеся в состоянии плазмы. Солнце, звезды и звездные скопления, наблюдаемые на небе, образуют систему, которую мы называем нашей Галактикой. В начале XX в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики. Галактики имеют тенденцию располагаться по границам гигантских ячеек. Ячеистая структура распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики -- видимой части Вселенной. Система галактик и их скоплений называются Метагалактикой. Под Вселенной понимают весь окружающий нас известный нам и неизвестный мир, который мы можем познать.

Вопросы для контроля знаний

Каково структурное строение микромира, макромира и мегамира?

Что собой представляет по современным научным концепциям вакуум?

Элементарными частицами чего являются атом и молекула?

Расскажите что такой кварк.

Как классифицирует современная наука элементарные частицы?

Какие агрегатные состояния материи вам известны?

Какие закономерности обнаружены в строении, движении и свойствах Солнечной системы?

Какие основные параметры, определяющие свойства звезд?

Как распределены галактики во Вселенной?

Чем отличаются понятия Метагалактика и Вселенная?

6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ДВИЖЕНИЕ СТРУКТУР МИРА

Тому, кто сумеет постичь Вселенную с единой точки зрения, мироздание кажется неповторимым явлением и великим откровением.

Ж. Л. Д'Аламбер

6.1 Четыре вида взаимодействий и их характеристика

Все отмеченные выше структурные объекты мира объединяются в системы вследствие взаимодействий между собой. Под взаимодействием в более узком смысле понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией.

В природе существуют качественно различные системы связанных объектов. Ядра -- связанные системы протонов и нейтронов; атомы -- связанные ядра и электроны; макротела -- совокупность атомов и молекул; Солнечная система -- "связка" планет и массивной звезды; галактика -- "связка" звезд. Наличие связанных систем объектов говорит о том, что должно существовать нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы "разрушить" систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы или структурных единиц происходит посредством полей (гравитационного, электрического, магнитного и других) и характеризуется энергией взаимодействия. В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных видов фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий. Кратко охарактеризуем каждый из этих четырех видов взаимодействий.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных, ибо иначе ядро не могло образоваться. Эти взаимодействия (их называют сильными) проявляются лишь в пределах ядра. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия ), составляет примерно 10-13 см.

Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Энергия ионизации атома, т. е. энергия отрыва электрона от ядра, определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме. Теплота парообразования, т. е. энергия перехода жидкость -- пар (при атмосферном давлении), определит, правда довольно грубо, значение межмолекулярных взаимодействий в теле. Последние же имеют электромагнитное происхождение. Константа взаимодействия равна 10-3. Радиус действия не ограничен ().

Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды Р-распада ядер (включая е-захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна по порядку величины 10-15. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Как отмечалось, из большого списка элементарных частиц только электрон, протон, фотон и нейтрино всех типов являются стабильными. Под влиянием "внутренних причин" нестабильные свободные частицы за те или иные характерные времена превращаются в другие частицы. Медленные распады с характерным временем 10-10--10_6 с происходят за счет так называемого слабого взаимодействия, тогда как быстрый распад (10-16 с) происходит под влиянием электромагнитных взаимодействий.

Гравитационные взаимодействия (тяготения). Притяжение тел к Земле, существование Солнечной системы, звездных систем (галактик) обусловлено взаимодействием сил тяготения, или иначе -- гравитационными взаимодействиями. Эти взаимодействия универсальны, т. е. применимы к любым микро- и макрообъектам. Однако они существенны лишь для тел огромных астрономических масс и для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают для объектов с малыми массами и практически не играют роли для ядерных и атомных систем. Проявления гравитации количественно были изучены одними из первых. Это не случайно, ибо источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия не ограничена. Константа взаимодействия имеет значение порядка 10-39. Радиус действия не ограничен (r = °°). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Характеристики видов взаимодействий приведены в табл. 6.1. В вопросах строения и развития мира как целого роль гравитации становится определяющей. Исследование же конкретных небесных объектов (звезд, пульсаров, квазаров и др.) невозможно без привлечения всех видов фундаментальных взаимодействий.

Несомненно, приведенная классификация взаимодействий отражает современный уровень развития науки. В будущем, возможно, взаимодействия будут либо объединены, либо их останется меньше, если обнаружатся связи между константами взаимодействия. Например, уже удалось описать в рамках единой теории электромагнитное и слабое взаимодействия. Между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то удивительная зависимость. Например, отношение радиуса Метагалактики (R = 51027 см) к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами.

6.2 Концепции близкодействия и дальнодействия

Наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными.

А. Эйнштейн

Близкодействие и дальнодействие--это взаимно противоположные взгляды для объяснения взаимодействия материальных структур. По концепции близко действия любое взаимодействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Дальнодействие допускает действие на расстоянии мгновенно с бесконечной скоростью, т. е. фактически вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя он сам понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то электрическое взаимодействие нельзя объяснить мгновенным действием на расстоянии. Поэтому дальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Таким образом, согласно современной науке, взаимодействия между структурами передаются посредством соответствующего поля с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

6.3 Вещество, поле, вакуум. Принцип суперпозиции

Господи, дай мне разум и душевный покой, чтобы принять смиренно то, что я не в силах изменить; дай мне мужество, чтобы изменить то, что я в состоянии изменить; дай мне мудрость, о господи, чтобы не путать первое со вторым!

Из Екклесиаста

Вся совокупность элементарных частиц с их взаимодействиями проявляет себя макроскопически в форме вещества и поля. Поле в отличие от вещества обладает особыми свойствами. Физическая реальность электромагнитного поля видна хотя бы из того, что существуют радиоволны. Источником электромагнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. Взаимодействие зарядов происходит по схеме: частица -- поле -- частица. Поле является переносчиком взаимодействия. В некоторых условиях поле может "оторваться" от своих источников и свободно распространяться в пространстве. Такое поле носит волновой характер.

Как получают сведения о состоянии вещества звезд? Атомные процессы, которые разыгрываются во внешних оболочках звезд, сопровождаются излучением электромагнитных волн. Одним из таких процессов является возбуждение атомов, ведущее к излучению ряда характерных "порций" энергии электромагнитного поля (спектр). У каждого химического элемента имеется свой, только ему присущий спектр излучения. Анализируя, например, солнечный свет (свет является электромагнитным излучением) с помощью оптических приборов, можно определить химический состав и процентное содержание элементов во внешних оболочках Солнца.

В современной естественно-научной картине мира как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц, а частицы взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются. На уровне элементарных частиц происходит взаимопревращение поля и вещества. Так, фотоны могут превратиться в электронно-позитронные пары, а эти пары в процессе взаимодействия уничтожаются (аннигилируются) с образованием фотонов. Более того, вакуум тоже состоит из частиц (виртуальных частиц), которые взаимодействуют как друг с другом, так и с обычными частицами. Таким образом, исчезают фактически границы между веществом и полем и даже между вакуумом, с одной стороны, и веществом и полем -- с другой. На фундаментальном уровне все грани в природе действительно оказываются условными. В современной естественно-научной картине мира вещество и поле взаимопревращаются. Поэтому в настоящее время предпринимаются настойчивые попытки создать единую теорию всех видов взаимодействий.

При наличии нескольких полей для определения результирующего взаимодействия применяют принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции в естествознании позволяет получать результирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых взаимодействий как сумму эффектов, вызываемых каждым взаимодействием в отдельности. Он справедлив для систем, описываемых линейными уравнениями. Принцип суперпозиции широко используется в механике, теории колебаний и волновой теории физических полей. В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям. Согласно этому, если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или несколькими функциями, то система может также находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.

6.4 Фундаментальные постоянные мироздания

Порядок -- первый закон Небес.

Александр Поп

Фундаментальные мировые постоянные -- это такие константы, которые дают информацию о наиболее общих, основополагающих свойствах материи. К таковым, например, относятся G, с, е, h, me и др. Общее, что объединяет эти константы, -- это содержащаяся в них информация. Так, гравитационная постоянная G является количественной характеристикой универсального, присущего всем объектам Вселенной взаимодействия -- тяготения. Скорость света с есть максимально возможная скорость распространения любых взаимодействий в природе. Элементарный заряд е -- это минимально возможное значение электрического заряда, существующего в природе в свободном состоянии (обладающие дробными электрическими зарядами кварки, по-видимому, в свободном состоянии существуют лишь в сверхплотной и горячей кварк-глюонной плазме). Постоянная

Планка h определяет минимальное изменение физической величины, называемое действием, и играет фундаментальную роль в физике микромира. Масса покоя mе электрона есть характеристика инерционных свойств легчайшей стабильной заряженной элементарной частицы.

Константой некоторой теории мы называем значение, которое в рамках этой теории считается всегда неизменным. Наличие констант при выражениях многих законов природы отражает относительную неизменность тех или иных сторон реальной действительности, проявляющуюся в наличии закономерностей.

Сами фундаментальные постоянные с, h, e, G и др. являются едиными для всех участков Метагалактики и с течением времени не меняются, по этой причине их называют мировыми постоянными. Некоторые комбинации мировых постоянных определяют нечто важное в структуре объектов природы, а также формируют характер ряда фундаментальных теорий.

определяет размер пространственной оболочки для атомных явлений (здесь mе -- масса электрона), а

-- характерные энергии для этих явлений; квант для крупномасштабного магнитного потока в сверхпроводниках задается величиной

предельная масса стационарных астрофизических объектов определяется комбинацией:

где mN -- масса нуклона;

весь математический аппарат квантовой электродинамики основан на факте существования малой безразмерной величины

определяющей интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Анализ размерностей фундаментальных постоянных приводит к новому пониманию проблемы в целом. Отдельные размерные фундаментальные постоянные, как уже отмечалось выше, играют определенную роль в структуре соответствующих физических теорий. Когда речь идет о выработке единого теоретического описания всех физических процессов, формирования единой научной картины мира, размерные физические постоянные уступают место безразмерным фундаментальным константам таким какРоль этих

постоянных в формировании структуры и свойств Вселенной очень велика. Постоянная тонкой структурыявляется количественной характеристикой, одного из четырех видов фундаментальных взаимодействий, существующих в природе -- электромагнитного. Помимо электромагнитного взаимодействия другими фундаментальными взаимодействиями являются гравитационное, сильное и слабое. Существование безразмерной константы электромагнитного взаимодействия предполагает, очевидно, наличие аналогичных безразмерных констант, являющихся характеристиками остальных трех типов взаимодействий. Эти константы также характеризуются следующими безразмерными фундаментальными постоянными -- константа сильного взаимодействия -- константа слабого взаимодействия:

где величина-- постоянная Ферми

для слабых взаимодействий;

константа гравитационного взаимодействия:

Числовые значения констант определяют

относительную "силу" этих взаимодействий. Так, электромагнитное взаимодействие примерно в 137 раз слабее сильного. Самым слабым является гравитационное взаимодействие, которое в 1039 меньше сильного. Константы взаимодействия определяют также, насколько быстро идут превращения одних частиц в другие в различных процессах. Константа электромагнитного взаимодействия описывает превращения любых заряженных частиц в те же частицы, но с изменением состояния движения плюс фотон. Константа сильного взаимодействия является количественной характеристикой взаимных превращений барионов с участием мезонов. Константа слабого взаимодействия определяет интенсивность превращений элементарных частиц в процессах с участием нейтрино и антинейтрино.

Необходимо отметить еще одну безразмерную физическую константу, определяющую размерность физического пространства, которую обозначим через N. Для нас является привычным то, что физические события разыгрываются в трехмерном пространстве, т. е. N = 3, хотя развитие физики неоднократно приводило к появлению понятий, не укладывающихся в "здравый смысл", но отображающих реальные процессы, существующие в природе.

Таким образом, "классические" размерные фундаментальные постоянные играют определяющую роль в структуре соответствующих физических теорий. Из них формируются фундаментальные безразмерные постоянные единой теории взаимодействий -- Эти константы и некоторые другие, а также размерность пространства N определяют структуру Вселенной и ее свойства.

6.5 Антропный космологический принцип

Религия всегда оказывается права. Она разрешает все вопросы и, следовательно, снимает все вопросы в мире. Религия придает нам уверенность, незыблемость, умиротворение и сознание абсолютности. Она защищает нас от прогресса, который всех нас приводит в трепет. Наука поступает совсем наоборот. Она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десяток новых.

Б. Шоу

Идеи антропного космологического принципа, развивавшиеся в последнем десятилетии XX века, представляют большой научный интерес с точки зрения ответа на вопросы происхождения, развития и эволюции окружающего мира. Основная идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже форма физических закономерностей тесно связаны с фактом структурности Вселенной во всех масштабах -- от элементарных частиц до сверхскоплений галактик. С возможностью существования условий, при которых возникают сложные формы движения материи и в конце концов жизнь и человек.

Почему из бесконечной области всевозможных значений фундаментальных мировых постоянных, характеризующих физические взаимодействия, и бесконечного разнообразия начальных условий, которые могли существовать в очень ранней Вселенной, реализуются величины и условия, приводящие к вполне конкретному набору особенностей, наблюдаемых нами? В пространстве N измерений точечные источники взаимодействуют с силой, где r -- расстояние между источниками. Можно показать, что устойчивые движения двух тел, взаимодействующих по такому закону, отсутствуют при N3. Еще в 20-е годы XX столетия П. Эренфест показал, что если бы число пространственных координат N было равно четырем, то не существовало бы замкнутых орбит планет и, естественно, Солнечной системы и человека. При N = 4 была бы невозможна также атомная структура вещества. При N < 2 движение происходит в ограниченной области. Только при N = 3 возможны как связанные, так и несвязанные движения, что как раз и реализуется в наблюдаемой Вселенной.

Исследования показывают, что Вселенная, в которой мы живем, удачно приспособлена для нашего существования. Основные свойства Вселенной объясняются значениями нескольких фундаментальных постоянных (гравитационная постоянная, масса протона и электрона, заряд электрона, скорость света и др.). В наблюдаемой Вселенной существует удивительное совпадение, вернее согласование энергии расширения Вселенной и ее гравитационной энергии, значения фундаментальных констант гравитационного, сильного, слабого, электромагнитного взаимодействий имеют такие значения, что обеспечивает возможность возникновения галактик и звезд, в том числе стабильных, в которых термоядерные реакции протекают в течение многих миллиардов лет.