Панорама современного естествознания в концепции "стрел времени"
Модельное представление масштабов нашей Галактики и Метагалактики. Эволюция звезд главной последовательности. Основные этапы космологической шкалы времени. Структурные уровни материи в рамках геосфер Земли. Основные гипотезы происхождения жизни.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 19.03.2018 |
| Размер файла | 360,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Панорама современного естествознания в концепции «стрел времени»
1. Космология. Элементы физики Мегамира
Выделив в структурных уровнях материи гипермир (см. лекцию 4; 4.2), как представление о множестве мегамиров, мы фактически задали мегамир, как взаимодействующую и развивающую систему с усложнением фрактальной структуры «стрел времени» от Большого взрыва до образования космических тел, доступную современным методам исследования всех форм материи, в нее входящих, а также их взаимодействий (см. схему 45).
|
Мегамир (космос) Системная организация коэволюции материи, фундаментальных взаимодействий и пространства-времени на основе астрофизических, космологических и космогонических теорий и экспериментальных (астрономических) исследований. |
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Обычная материя - 4-5% всей материи в Мегамире (во Вселенной)
2. Темная материя - 23% всей материи в Мегамире (во Вселенной)
3. Темная энергия (энергия вакуума или космологическая постоянная) - 73% всей материи в Мегамире (во Вселенной).
4. Нейтрино.
В рамках выделения Мегамира, как возможно одной из частей Гипермира, мы под Вселенной будем понимать объект космологии Мегамира, т.е. ту часть материального мира, которая на данном уровне познания доступна астрономическому (наблюдательному и теоретическому) исследованию.
Итак, космология - это наука, целью которой является изучение и представление о Вселенной как едином целом.
Космогония - наука, изучающая происхождение небесных тел и систем от Солнечной системы до звезд, галактик и скоплений галактик.
Для наглядного модельного представления о масштабах нашей Галактики и Метагалактики представим их схематически (см. схему 46) с указанием удаления некоторых космических объектов от Солнца. Масштаб соответствующей модели: м (боровский радиус):м (радиус Земной орбиты) = . При этом Вселенная в рамках Метагалактики включает в себя ч Галактик, в каждой из которой находится 1011 звезд.
|
ГАЛАКТИКА (Млечный путь - звездная система, содержащая до 1011 звезд, к которой принадлежит Солнечная система) |
МЕТАГАЛАКТИКА (изученная часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и другими объектами) |
|
|
Галактика в этом масштабе: v Расстояние до ближайшей звезды Проксима 0,014 мм; v Расстояние до центра Галактики около 10 см; Размеры нашей звездной системы будут около 35 см; v Диаметр Солнца будет 0,0046 Е (ангстрем - единица длины, равная 10-8 см). |
Метагалактика в этом масштабе: v Расстояние до туманности Андромеды 6 м (реальное удаление 1,5 млн. световых лет); v Расстояние до центральной части скопления галактик в Деве, куда входит и наша местная система галактик 120 м, причем такого же порядка будет размер самого скопления (реальное удаление 50 млн. световых лет); v Расстояние до радиогалактики Лебедь-А 2,5 км; v Расстояние до радиогалактики 3С-295 25 км (реальное ее удаление 5 млрд. световых лет). Скорость удаления радиогалактики Лебедь-А - около 17 тыс. км/с, радиогалактики 3С-295 - около 138 тыс. км/с. |
|
|
Реальные размеры Галактики: диаметр - 120 тыс. световых лет, толщина 10 тыс. световых лет |
Реальные размеры Метагалактики около 20 млрд. световых лет |
Схема Модель Галактики и Метагалактики
Наша, наиболее важная для нас, Галактика носит название Млечный путь и состоит из более чем 100 млрд. звезд. В связи с огромными масштабами вводят новые астрономические единицы: астрономическая единица, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца - 1 а.е.=1,501011м; световой год, т.е. расстояние, которое проходит свет в вакууме за один земной год - 1 св. год=6, 32104а.е.=9,461015м; парсек - 1 пс. = 3,2 св. лет=2,06105а.е.=3,091016м.
Время жизни нашей Вселенной и соответственно Метагалактики, т.е. то, что люди называют возрастом Вселенной, это примерно 13,7 миллиарда лет с точностью до …, пожалуй, лучше чем 10%. Размер Метагалактики, т.е. наблюдаемой части Вселенной, казалось бы можно определить, исходя из того, что свет путешествовал к нам 13,7 млрд. лет, значит это надо умножить на скорость света (м/с) и получится расстояние, на котором мы якобы сейчас видим объекты Вселенной. На самом деле мы видим в несколько раз дальше, чем получим в результате (около 1,6 млрд световых лет), потому что те объекты, которые послали к нам свет 13,7 млрд лет назад, они сейчас от нас находятся дальше, так как Вселенная расширяется. Реальные, т.е. наблюдаемые размеры Метагалактики около 20 млрд. световых лет.
Обычная материя практически вся сосредоточена в газовой среде и в звездах. В схеме 47 мы собрали терминологические названия основных видов звезд и соответствующие, очень краткие характеристики. При этом внутренняя жизнь звезды регулируется воздействием двух сил: силы притяжения, которая противодействует звезде, удерживает ее, и силы освобождающейся при происходящих в ядре ядерных реакциях. Она, наоборот, стремиться «вытолкнуть» звезду в дальнее пространство. Не вдаваясь в сложные механизмы эволюции, приведем схематически варианты развития звезд главной последовательности.
|
v Красные карлики - звезды, диаметр которых в 2-3 раза меньше диаметра Солнца, их средняя плотность в 4-5 раз больше плотности Солнца. |
|
|
v Белые карлики - электронные постзвезды: масса такого типа звезды порядка массы Солнца, а радиус - 0,01 радиуса Солнца. Плотность 10 г/см3 |
|
|
v Красные гиганты - звезды большой светимости: диаметр их в сотни раз больше диаметра Солнца; плотность в тысячи раз меньше плотности воздуха. |
|
|
v Черные дыры - звезды, сжатые до величины гравитационного радиуса (радиуса сферы Шварцшильда:, - гравитационная постоянная, - скорость света) - для Солнца 3 км. В них вещество находится в состоянии сингулярности (плотность выше 1074 г/см3). |
|
|
v Нейтронные - звезды, состоящие из огромного сгустка нейтронов; силы гравитации разрушили в них сложные ядра, и вещество снова стало состоять из отдельных элементарных частиц. Масса их близка к массе Солнца, радиус 1/50000 от солнечного (10-30 км), плотность до 1014 г/см3. |
|
|
v Пульсары - пульсирующие космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучений. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов - 0,03-4с; у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд и более. |
|
|
v Квазары - квазизвездные источники радиоизлучения; космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров. Отдаленность от Солнца несколько тысяч мегапарсек. Это образования окраин Вселенной. Они излучают в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Масса ядра 103-109 масс Солнца; размеры 1016-1017 см. |
Схема Виды звезд и их краткие характеристики
При этом нас, прежде всего, интересует эволюция Солнца (см. схему 48).
Схема Эволюция звезд главной последовательности (варианты развития)
Наше Солнце является малой звездой главной последовательности согласно классической диаграммы Герцшпрунга-Ресселла. С эволюцией Солнца взаимосвязана и эволюция Солнечной системы, модель которой приведена на схеме 49.
Схема Модель Солнечной системы
Примечание: В 2006 г. на съезде астрономов было принято отнести планету Плутон, имеющую массу, равную 0,002 массы Земли, к астероидам.
Характерно, что из всех планет Солнечной системы только на Земле в результате ее эволюции образовалось поистине фантастическое разнообразие живых существ и самое удивительное появился биосоциокультурный вид - человек разумный (Homo sapiens).
Нам представляется, что для понимания фрактальной структуры «стрел времени», в которую естественно включаются космологическая стрела времени вплоть до образования Земли, геологическая стрела времени и биологическая стрела времени, особую роль приобретает антропный принцип.
Слабый антропный принцип утверждает, что наблюдаемые свойства Вселенной зависят от человека как наблюдателя, то есть Вселенная такая потому, что мы ее такой видим.
Сильный антропный принцип говорит, что Вселенная устроена таким образом, что в ней с неизбежностью должен был появиться человек. Такой подход фактически реанимирует антропоцентрическую идею о человеке как о цели творения. Естественно, что опираясь на концепции современного естествознания, мы непроизвольно уходим от телеогических аспектов в религиозном плане. Однако, Стивен Хокинг доказал, что направления трех базовых «стрел времени», а именно общеизвестной термодинамической (см. лекцию 5), психологической, связывающей наше восприятие времени от прошлого к будущему, и космологической совпадают, иначе не могли бы реализоваться условия для зарождения и развития разумных существ.
Очевидно, именно в этом естественнонаучном плане можно говорить и о пересечении отмеченных выше стрел времени с антропологической стрелой времени, включая в нее и антропный принцип. Именно такой подход, на наш взгляд, позволяет согласиться с математически доказанной с использованием теории струн «многоликости Вселенной», т.е. с возможностью реализации множественности Вселенных, или по нашей терминологии «многоликового» гипермира. Тогда наша наблюдаемая Вселенная отличается от гипотетических Вселенных именно реализацией в ней антропного принципа. Мы в данном параграфе ограничимся рассмотрением только космологической стрелы времени нашей наблюдаемой Вселенной (см. схему 50).
|
Этапы |
Основные идеи и явления |
Обоснования |
Время от сегодняшнего момента |
|||
|
Название |
Кос-мическое время |
Тем-пера-тура (К) |
||||
|
v Сингулярное состояние Вселенной в пузырьковой модели и в модельной теории струн |
Невозможность избежать сингулярности, т.е. «точечного» объема с бесконечно большой плотностью, в космологических моделях общей теории относительности была доказана в числе прочих теорем о сингулярности, Р. Пенроузом и С. Хокингом в конце 1960-х годов. |
Расширение Вселенной, открытое Э. Хабблом на основе обнаруженного им в 1929 г. «красного смещения» спектральных линий излучения от удаленных галактик. |
||||
|
v .Большой взрыв в «холодной» модели А.А.Фрид-мана и в «горячей» модели Г.А. Гамова |
0 |
В 1922 г., найдя нестационарные решения гравитационного уравнения А. Эйнштейна, А.А. Фридман предложил геометрические модели нестациолнарной вселенной, в рамках которых возникло предположение о начальном взрывном процессе. В 1948 г. Г.А. Гамов добавил к «холодному» взрыву очень плотной материи представление, что «первичное вещество» мира было не только очень плотным, но и очень горячим. |
Теория «горячей Вселенной» в сочетании с теорией Большого взрыва была подтверждена экспериментально обнаруженным в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном реликтового, т.е. рассеянного космического электромагнитного излучения с температурой близкой к предсказанной Г.А. Гамовым, 2,7К. |
млрд. лет |
||
|
v Эпоха Планка в модели гипомира, т.е. частиц (пузырьков) - планкеонов со следующими характеристиками: м, с, кг/м3. |
10-43 с |
1032 К |
Наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с плотностью около 1096кг/м3. При большей плотности возникают огромные флуктуации, не позволяющие описать как сингулярность, так и то, что было до нее. |
Постоянство четырех фундаментальных констант: G, c, , kБ, На основе соответствующих фундаментальных физических констант зачастую задается и физическое обоснование сильного антропного принципа. Возможно в эту эпоху существовало единое, целостное фундаментальное взаимодействие. |
||
|
v Эпоха экспоненциального расширения Вселенной с ускорением. Эпоха Большой Космической инфляции |
От 10-43 до 10-35 с |
От 1032 до 1028 К |
Возникает расширение Вселенной в раз. Используется новая теория инфляционной космологии, в которой, в частности, плотность темной материи играет роль космологического члена в гравитационном уравнении А. Эйнштейна. |
В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий, и одно из объяснений экспоненциального расширения Вселенной - включение антигравитации темной энергии. Подтверждена измерением анизатропии реликтового излучения. |
||
|
v Эпоха бариогенеза и адронов |
От 10-35 до 10-5 с |
От 1028 до 1014 К |
Рождение и аннигиляция кварк-антикварковых пар: 10-9. Считается, что различие между материей и антиматерией во взаимодействии частиц наблюдалось только для кварков и антикварков. Затем произошел следующий фазовый переход, называемый бариогенезом, т.е. объединение кварков и глюонов в барионы, такие как протоны и нейтроны. Рождались и другие адроны - гипероны и мезоны. И все-таки в механизме возникновения асимметрии вещества и антивещества еще достаточно много парадоксов и загадок. |
Кварко-глюонная плазма фиксируется как вакуумная подсистема с характерными размерами 10-15 м уже в экспериментах на БАКе при энергиях порядка 7 ТэВ, т.е. при температурах порядка 1017 К. На БАКе также обнаружен бозон Хиггса, но с несколько искаженными по отношению к теории параметрами. Появление «лишних» нуклонов, ответственных за асимметрию между материей и антиматерией, связывают также с асимметрией распада бозона Хиггса и соответствующего ему антибозона. Ученые надеются, что, включив всю энергию БАКа (14 ТэВ), удастся исследовать подсистему с характерными размерами 10-18 м, т.е. более обоснованно экспериментально исследовать бозон Хиггса, а возможно, и темную материю. |
||
|
v Эпоха лептонов |
От 10-6 до 1с |
От 1014 до 1011 К |
Аннигиляция лептонно-антилептонных пар; как в кипящем котле во вселенной непрерывно рождались и исчезали адроны, лептоны и кванты фундаментальных взаимодействий. Появление реликтовых нейтрино. Происходило взаимопревращение элементарных частиц. |
Экспериментально подтверждено открытием в 1967 г. нейтральных токов на синхротронном ускорителе в Церне и созданием С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом теории электрослабого взаимодействия. Взаимопревращение частиц наблюдалось прежде всего при и распадах. |
||
|
v Эпоха термоядерных реакций |
От 1 с до 3 мин |
От 1011 до 109 К |
Возникают термоядерные реакции с участием протонов и нейтронов : ; ; . Возникают примеси легких элементов, которые измерены путем наблюдения реликтового излучения. Становление первоначального химического состава вселенной: ядер водорода - 70%, ядер гелия () - 30% + плазма. |
|||
|
v Эпоха перехода плазма-газ и становления прозрачной Вселенной |
3105 лет (300 тыс лет) |
3103 К |
Возникновение газа в основном атомарного водорода из электронно-протонной плазмы, а также за счет рекомбинации электронов и ядер. Начинает доминировать вещество, состоящее из нейтральных атомов - водорода, дейтерия и гелия с небольшой примесью молекул водорода; отделение излучения от вещества. |
|||
|
v Этап формирования галактик, в том числе и нашей Галактики, включающий в себя следующие события: а) начало образования галактик; б) галактики начинают образовывать скопления; в) сжатие нашей протогалактики г) образование звезд. |
От 1 млрд лет до 4 млрд лет |
Создание неустойчивой относительно флуктуаций плотности за счет гравитационного взаимодействия в неравновесной смеси из нейтральных атомов и фотонов. Гравитационному коллапсу (полному сжатию) препятствует вращение и внутреннее давление, причем до отделения излучения от вещества силы давления излучения превышали гравитационные. По современным представлениям, центральными объектами структуры Вселенной являются галактики, масса которых эквивалентна в среднем 100 млрд. масс Солнца. К числу таких объектов относится и наша Галактика - Млечный путь. По своим свойствам и форме большинство галактик можно разделить на два типа: спиральные и эллиптические. |
Критический размер и масса объекта, для которого обе силы (гравитации и давления) уравновешиваются, называются длиной и массой Джинса (по имени ученого Дж. Х. Джинса (1877-1984)). Если исходный размер тела превосходит длину Джинса, то, в конце концов должна наблюдаться его фрагментация. Если же этот размер меньше длины Джинса, то объект должен коллапсировать как целое. Образование иерархической структуры Вселенной - галактик, их скоплений с одной стороны, и звезд, шаровых скоплений, планет и т.п., с другой - обусловлено флуктуациями плотности остывающего однородного шара, имеющими различную природу. |
От 12,7 млрд лет до 9,7 млрд. лет |
||
|
v Этап образования Солнечной системы |
9,1 млрд лет |
2,7К |
Формирование галактик сопровождалось возникновением и эволюцией звезд, среди которых наше Солнце - относительно молодая звезда как по возрасту, так и по времени рождения. При этом «старые» звезды сыграли огромную роль в происхождении химических элементов за счет термоядерных реакций, взрывов красных гигантов и «сверхновых» звезд. |
4,6 млрд лет |
Схема Основные этапы космологической шкалы («стрелы») времени
Представляет очевидный интерес предсказание эволюции нашей Вселенной, Галактики - Млечный путь, Солнца и Земли в будущем.
Что касается Вселенной, то очень часто такие оценки делают на основании закона Хаббла: , где - постоянная Хаббла, - расстояние между галактиками, - скорость «разбегания» галактик.
Вычислим энергию некоторой галактики, имеющей массу , которая находится на расстоянии от «наблюдателя» (см. рис. 7.1). Энергия этой галактики складывается из кинетической энергии и потенциальной энергии , которая связана с гравитационным взаимодействием галактики с веществом массы , находящимся внутри шара радиуса . Выразим массу через плотность , и, учитывая закон Хаббла, запишем выражение для энергии галактики:
(1)
Из этого выражения найдем , т.е. такое значение плотности при котором , т.е. вселенная не расширяется, как при , и не сжимается, как при . Подставив в выражение (1) известные значения (км/с)/106 световых лет и м2/кгс2, получаем значение критической плотности кг/м3. Самое удивительное, что с учетом плотностей видимой материи 10-34кг/м3, а также плотностей темной материи и темной энергии, мы получаем значение кг/м3, т.е. совпадающее с критической плотностью . Более того, ряд ученых считает, что плотность материи всегда была равна.
В процессе эволюции Вселенной особая роль принадлежит плотности темной энергии, которая играет роль космологической постоянной в гравитационном уравнении Эйнштейна, задавая, как стало ясно, совместно с темной материей определенную стабильность (статичность) галактик, в том числе и нашей галактики - Млечный путь. Так темная материя, благодаря своей гравитации способствует современному положению галактик, а самое главное, и галактических объектов.
Темная энергия усиливает темп расширения Вселенной за счет антигравитации, но одновременно являясь алгебраической суммой энергий всех вакуумных подсистем, очевидно, не изменяет своей плотности, т.е. антигравитация препятствует изменению объема (гравитационному коллапсу) физического вакуума. Методом астрономических наблюдений изучалось влияние темной энергии на движение галактик и их скоплений. Обнаружена удивительная корреляция между плотностью темной энергии (энергией вакуума) и видимой материей в мире. Если бы Вселенная продолжала очень быстро расширяться как в эпоху Большой Космической инфляции, когда, по мнению ряда ученых, произошло отделение антигравитации, т.е. получила простор темная энергия, то галактики, звезды и планеты не успели бы сформироваться. Вещество такой Вселенной находилось бы в состоянии разряженного газа, и человеку места в ней не было бы.
Если бы не произошел наблюдаемый в наше время переход от замедленного расширения к ускоренному, то мы получили бы космос, состоящий не из звезд и планет, а из одних черных дыр. В такой Вселенной человек тоже не мог бы существовать.
На данном этапе расширения Вселенной с ускорением, нашей Галактике - Млечный путь - ничто не угрожает, ее стабильность обеспечивает темная материя. Единственное, что представляется возможным в диапазоне десятков миллиардов лет, это столкновение нашей Галактики и Галактикой Андромеды. Последующие самые экзотические сценарии эволюции нашей Вселенной настолько удалены по времени, что они представляют исключительно научный, но не утилитарно-практический интерес.
Нас же в практическом плане должна интересовать эволюция Солнца (см. схему 51.) и связанная с ней эволюция всей Солнечной системы, которой предстоит еще долгий стабильный период не менее 3-4,5 млрд. лет.
Человек же уже достиг «успехов» в своем антропно-экологическом влиянии на эволюцию Земли, к геологической эволюции которой, в рамках изучения ее структурных уровней мы переходим.
2. Геологическая эволюция. Структурные уровни материи в рамках геосфер Земли
Так как во фрактальной структуре «стрел времени» мы опираемся на антропный принцип, то в геохронологической шкале («стреле») времени оправдано рассмотреть пересечение геологической и биологической стрел времени. При этом мы в структурном плане ограничимся только эонами и эрами.
Геохронологическая шкала - геологическая временная шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии, своеобразный календарь для промежутков времени в сотни тысяч и миллионы лет. Фактически эта стрела включает макромир в общую структуру фрактальных стрел времени. Согласно современным общепринятым представлениям возраст Земли оценивается в 4,5-4,6 млрд. лет. На поверхности Земли не обнаружены горные породы или минералы, которые могли бы быть свидетелями образования планеты. Максимальный возраст Земли ограничивается возрастом самых ранних твердых образований в Солнечной системе - тугоплавких включений, богатых кальцием и алюминием. Возраст CaAl из метеорита Allende по результатам современных исследований U-Pb изотопным методом составляет 4,568±0,0005 млрд. лет. На сегодня это лучшая оценка возраста Солнечной системы. Время формирования Земли как планеты может быть позже этой даты на миллионы и даже многие десятки миллионов лет.
Последующее время в истории Земли было разделено на различные временные интервалы по важнейшим событиям, которые тогда происходили. Время существования Земли разделено на два главных интервала (эона): Фанерозой и Докембрий (Криптозой) по появлению в осадочных породах ископаемых остатков. Мы будем продолжать использовать космическое время, наряду со временем от сегодняшнего момента, поэтому эоны поменяем местами, т.е. хронологию начнем от Криптозоя (см. схему 51).
|
Этапы (эоны, эры, периоды, эпохи) |
Характерные процессы |
|||
|
Название |
Косм. время |
Время от сегодняшнего момента |
||
|
v Образование планет. Протопланетный этап развития Земли |
9,1 млрд. лет |
4,6 млрд. лет |
Образование Земли и всех планет из сконденсировавшейся космической пыли. Скорей всего, частицы пыли состояли из железа с примесью никеля, либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Каждая частица была окружена льдом. Кроме пыли везде присутствовал газ. Газы могли конденсироваться, образуя различные летучие соединения, в которых присутствует основный элемент живых организмов - углерод. Атмосфера Земли, возможно, как и других планет содержала метан, аммиак, водяной пар и водород. Происходило затвердевание планет и интенсивное образование кратеров на планетах. |
|
|
v Криптозойский эон Археозойская эра |
9,7 млрд. лет |
4 млрд. лет |
Первое великое горообразование. Значительная вулканическая деятельность, способствующая физико-химическим эволюционным процессам. Образование самых старых земных пород. Зарождение микроорганизмов. |
|
|
v Протерозойская эра |
11,2 млрд. лет |
2,5 млрд. лет |
Второе великое горообразование. Интенсивный процесс осадкообразования. Поздняя вулканическая деятельность. Эрозия на обширных площадях. Многократные оледенения. Возникновение атмосферы, богатой кислородом. Появляются примитивные водоросли, грибы. Считается, что появляются различные морские простейшие. |
|
|
v Фанерозойский эон Палезойская эра. |
13,16 млрд. лет |
542,0±1,0 млн. лет |
Герцинское газообразование. Наблюдаются сложные геологические процессы с поднятием, а иногда с погружением суши и с изменением размеров и глубины внутриконтинентальных морей, а также климата. Наблюдаются более редкие, чем при протерозое, оледенения. Зарождение макроскопических форм жизни. Самые ранние окаменелости. Первые растения на суше. Рыбы. Папоротники. Первые земноводные. В конце эры развиваются звероподобные пресмыкающиеся и земноводные. |
|
|
v Мезозойская эра |
13,45 млрд. лет |
251,0±0,4 млн. лет |
Альпийское горообразование. Мощное горообразование: Анды, Альпы, Гималаи, Скалистые горы. Вымирание папоротников. Образование хвойных, а затем дубовых и кленовых лесов. Динозавры появляются, достигают наивысшего расцвета и вымирают. Зубчатые птицы вымирают. Появляются первые современные птицы. |
|
|
v Кайнозойская эра |
13,63 млрд. лет |
65,5±0,3 млн. лет |
Продолжаются сложные геологические процессы, в том числе дрейф материков, повторные оледенения, горообразование и вулканическая деятельность (в основном на американском континенте). Растительность проходит через сложные эволюционные процессы от максимального распространения лесов до упадка древесных форм и расцвета травянистых. Этап мощной эволюции живого мира от начала развития антропоидов (предшественников большинства ныне живущих родов млекопитающих ) до эпохи человека |
|
|
v Четвертичный(антропогенный) период |
13,61 млрд. лет |
11,7 тыс лет |
В эпоху Плейстоцена происходит общее похолодание климата Земли, периодическое возникновение в средних широтах материковых оледенений. В эпоху Голоцена возникает конец последнего ледникового периода. Климат теплый. Упадок древесных форм, расцвет травянистых. Современная геологическая эпоха, начало которой совпадает с окончанием последнего материкового оледенения Северной Европы. Эпоха человека. |
Схема Геохронологическая стрела (шкала) времени
С геохронологической стрелой времени взаимосвязаны сформировавшиеся в XIX веке концепции развития Земли: «теория катастроф» и адаптационная «эволюционная теория». В «теории катастроф» или в бифуркационной эволюционной теории Ж. Кювье предположил, что развитие осуществляется посредством скачков (бифуркаций), катастроф. Ч. Лаель предположил, что развитие осуществляется путём небольших изменений, происходящих в одном и том же направлении. Суммируясь, эти изменения приводят к значительным результатам.
На самом деле, в геохронологической истории Земли использовались и используются обе концепции развития с определенным пересечением в концепции «стрел времени». В результате оформились концепции движения материков (первая и вторая гипотезы мобилизма), т.е. разделения и слияния материков, концепции эволюции океана и атмосферы, концепции гляционизма (ледниковой теории). Мы их в очень краткой форме отразили в геохронологической шкале времени.
Рассмотрим фрагментарно структуру земной материи на основе совокупности оболочек (геосфер), в которых протекают процессы планетарного масштаба (см. схему 55). Фактически, все оболочки (геосферы) играют важную роль в геологической эволюции Земли.
При рассмотрении геодинамических процессов различают эндогенные, обусловленные влиянием внутренних процессов на эволюцию геологических структур Земли, и экзогенные, обусловленные влиянием внешних процессов. К эндогенным геодинамическим процессам можно отнести концепции движения материков от идеи существования единого материка - Пангеи до его раскола на ряд материков, а также идеи новой глобальной тектоники, согласной которой литосфера разбита на крупные плиты, которые перемещаются по астеносфере (слое пониженной вязкости в верхней мантии Земли), концепцию эволюции океана и атмосферы, согласно которой океан и первичная атмосфера образовались через вулканические жерла, как продукт дегазации вулканических лав, а также ряд современных природных катастроф в виде извержения вулканов и
|
Атмосфера-газовая оболочка (0,00009% общей массы Земли) |
Гидросфера- Водная оболочка (0,024% общей массы Земли. Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др., пресных вод - около 2%.) |
Педосфера, лито- сфера и баросфера Земли (99,975% общей массы Земли) |
|||
|
Тропосфера (содержит 80% воздуха и почти весь водяной пар (до 10- 18 км)) |
Мировой океан (площадь 361300 тыс.км2, 96,53% всех запасов воды) |
Педосфера (почвенный слой- мощность (толщина)- около 80- 150см) |
|||
|
Тропопауза (переходной слой толщиной до 2- 3 км) |
Ледники и снега (площадь 16227 тыс.км2, 1,74% всех запасов воды) |
Земная кора (средняя мощность(толщина)- около 33км, преобладают О(49,11%),Si(7,4%), Al(7,4%), Fe(4,29%), Ca(3,3%), Na(2,4%), K(2,4%), Mg(2,4%) |
Литосфера |
||
|
Стратосфера (до 45- 55 км, температура в нижнем слое -40/- 800 С, в верхнем -00 С) |
Подземные воды (площадь 134800 тыс.км2, 1,69% всех запасов воды) |
Наружная часть мантии (30 -100км) |
|||
|
Стратопауза (пограничный слой) |
Подземные льды (площадь 21000 тыс.км2, 0,023% всех запасов воды ) |
Промежуточная часть мантии (астеносфера) |
Баросфера |
||
|
Ионосфера ( от 50- 80 км до нескольких тысяч км) |
Мезосфера ( до 80-85 км, температура в нижнем слое -00С, в верхнем до -900С ) |
Озера (площадь 2058 тыс. км2, 0,014% всех запасов воды) |
Нижняя часть мантии до 2900 км ( в мантии преобладают O,Si,Fe, Mg,Ni температура - 2000-25000С) |
||
|
Термосфера (до 300-560 км, в термосфере происходит рост температуры до 15000С) |
Почвенная влага и пары атмосферы (0,002% всех запасов воды) |
Внешнее ядро (2900-5000 км) |
|||
|
Термопауза (промежуточный слой) |
Болота (площадь 2682 тыс. км2, 0,0007% всех запасов воды) |
Переходная зона (5000-5100 км) |
|||
|
Экзосфера (верхний наиболее разреженный слой атмосферы, температура достигает 30000С) |
Речные воды (площадь 148800 тыс. км2, 0,0002% всех запасов воды) |
Внутреннее ядро (5100-6371 км; состав: Fe(80%),Ni(20%),температура -4500-60000С) |
Схема Структурные уровни материи в модели геосфер Земли
землетрясений. К экзогенным геодинамическим процессам можно отнести циклоны, штормы, наводнения, грозы, туман, лавины, оползни, а также катастрофы, имеющие явный антропный характер: загрязнение окружающей среды, парниковый эффект, кислотные дожди, смог, деградацию почвенного и растительного покрова, радиоактивное загрязнение окружающей среды, озоновые дыры.
Все эти процессы взаимосвязаны с природными катастрофами и гибелью людей, что лишний раз подчёркивает роль наук о Земле в интеллектуальной культуре общества и рационально действующей личности.
3. Основные гипотезы («теории») происхождения жизни
галактика звезда геосфера земля
Антропный принцип, который задает фрактальную структуру стрел времени, завоевал прочное место в постклассической науке. Само понятие жизни, например, Э. Шредингер связал с общеизвестной термодинамической стрелой времени, подчеркнув, что «живой организм питается отрицательной энтропией», то есть поглощает из окружающей среды высокоорганизованные структуры. Выбрасывая вещество с большой энтропией и поглощая вещество с малой энтропией, живой организм реализует свою «цель» - сохранить высочайший уровень упорядоченности. Опираясь на астрофизическую космологическую стрелу времени, жизнь, и прежде всего человека, можно определить как высокую упорядоченную голограмму Вселенной. Итак, мы можем говорить о гипотезе физической эволюции. А так как в термоядерных реакция внутри звезд и при их взрывах происходило и происходит рождение и взаимопревращение химических элементов, то более оправданно говорить о теории физико-химической эволюции, которая естественно пересекается с биологической эволюцией. Нам представляется важной и геологическая эволюция. Исходя из терминологического определения естествознания, как науки о явлениях и законах природы, в пересечении с понятийным определением естествознания, как совокупности естественных наук, нам представляется оправдано говорить о гипотезе (теории) естественной эволюции.
Обобщая достижения современного естествознания в области теории открытых диссипативных систем, известный биофизик академик М.В. Волькенштейн определил живые тела, существующие на Земле, как «открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот». Мы для наглядности представим основные признаки живого схематически (см. схему 53) с опорой на теорию естественной эволюции.
|
v Вещественный признак. В состав входят «апериодические» структуры - макромолекулы - биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) |
|
|
v Структурный признак. Характерно клеточное строение |
|
|
v Функциональный признак. Характерно воспроизводство самих себя (самовоспроизведение) |
|
|
v Неравновесный характер. Поддержание жизни связано с сохранением высокого неравновесного порядка в структурах всех уровней организации живого |
|
|
v Метаболизм. Совокупность всех видов превращений вещества и энергии в организмах, обеспечивающих их жизнедеятельность |
|
|
v Гомеостаз. Разнообразные системы саморегуляции на уровне клеток и на уровне тканей |
|
|
v Признак молекулярной хиральности (киральности) Асимметрия «право-лево» как нуклеиновых, так и белковых молекул живой материи |
Схема Основные признаки живого
Кроме гипотезы (теории) естественной эволюции, согласно которой жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся принципам и законам естественных наук, важную роль приобрела теория креационизма.
Креационизм (созидание, творение) - содержит тезис о божественном творении мира и человека. Согласно этой теории жизнь - результат сверхъестественных событий в прошлом. Многие ученые в эстетике мышления фактически объединяют эволюционную идею с креационизмом. Нам представляется оправданной эстетика мышления российского философа XX века Мераба Мамардашвили, приводящая к пересечению сакрального и секулярного мышления в «точке встречи которой мы помыслили мысль, которую невозможно иметь волей или желанием мысли. Она помыслится или не помыслится. И если помыслится, если мы в этой точке пересечения в полноте собранного бытия, она мимо нас не пройдет. Тогда мы достойны этой мысли или говоря иначе, достойны дара. Дар не вытекает из наших заслуг, мы достойны его, лишь когда он с нами случится и это путь по дуге, а не по горизонтали. Поскольку мы сцеплены и сращены с высшим, сверсознательным».
Естественно, что пересечению креационизма с теорией естественной эволюции способствует антропный принцип, подчеркивающий неслучайный характер процесса развития жизни. Многие религии связали первый акт творения со стандартной теорией Большого взрыва и инфляционной космологией.
В определенной степени пересечению теории естественной эволюции с теорией креационизма способствовала и оформившаяся в XVII-XVIII вв теория биогенеза, которая сводится к утверждению, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни, т.е. «живое от живого», которое было сформулировано итальянским врачом и биологом Ф. Реди и известно в литературе как «принцип Реди».
Французский биолог Луи Пастер в 1862 г убедительными опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого». Эстетика мышления основателя современной микробиологии и иммунологии Л. Пастера явно пересекается с креационизмом в следующем высказывании: «чем более я занимаюсь изучением природы, тем более я останавливаюсь в благоговейном изумлении перед делами Творца. Я молюсь во время работ своих в лаборатории».
«Бог, воистину dues ex machine, позволяет перескочить пропасть между живым и мертвым, природой и духом, сохранив при этом и пропасть». Бог (Творец) - это сложная, творческая конструкция нашего ума, демонстрирующая способность цивилизующего человечества мыслить абстрактно. В средние века теория креационизма оформляется в конфессиональных философских теологиях и религиях, в основе которых лежит тезис: «Бог познается только через веру», тем самым религия отделила веру в божественное творение мира от науки, т.е. от научного метода познания мира, опирающегося на совокупность эмпирических и теоретических методов. В то же время добро и зло получают в религии священную санкцию и человек обретает внутренний покой и свет для труда в нашем несовершенном мире. Наиболее ярко это выражено в следующем поучении М.В. Ломоносова: «Не здраво рассудителен математик, ежели он хочет Божественную волю измерить циркулем. Таков же богословия учитель, если он думает, что по Псалтырю можно научиться астрономии и химии».
Итак, следуя поучению М.В. Ломоносова, мы в курсе КСЕ основное внимание будем уделять гипотезе (теории) естественной эволюции, к которой мы еще обратимся и в эволюционной концепции биологического уровня организации материи.
Здесь же мы отметим еще три гипотезы (теории) возникновения жизни, играющие на наш взгляд подчиненный характер как эволюционной теории, так и теории креационизма.
Это, возникшая еще в античной натурфилософии теория самопроизвольного зарождения жизни, в какой-то мере отвергнутая теорией биогенеза. И, наконец, это две гипотезы (теории): первая - это гипотеза стационарного состояния, согласно которой жизнь существовала всегда, и вторая - это гипотеза панспермии, согласно которой жизнь занесена на нашу планету извне.
Однако, в рамках естественнонаучного принципа глобальной эволюции теория стационарного состояния не продуктивна, а теория панспермии так же не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.
Итак, в рамках эволюционных «стрел времени» на основе принципа дополнительности остаются две взаимоисключающие, а возможно дополняющие друг друга, по крайней мере в эстетике мышления, теория креационизма и теория биофизикохимической (естественной) эволюции. На наш взгляд, в пересечении этих теорий представляется неоправданным как вера в религиозный фанатизм, так и в научный абсолютизм. Нам представляется это чувство «религиозной веры в высшее, сверхсознательное и преклонения» перед гармонией природы на Земле и в Космосе и убеждения, что в «концептуальном фонде (как и в генофонде) Земли» все элементы значимы и важны, является основой не только духовной, но и материальной культуры человеческой цивилизации.
В пользу неслучайного характера процесса как зарождения, так и развития жизни говорит и антропный принцип, сущность которого, в частности, заключается в том, что даже незначительное отклонение значения любой из фундаментальных физических констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур.
Например, увеличение постоянной Планка на 10% лишает протон возможности объединиться с нейтроном, то есть становится невозможным нуклеосинтез. А уменьшение постоянной Планка на 10% привело бы к образованию устойчивого ядра , следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних стадиях расширения Вселенной, либо коллапс звезд на более поздних стадиях. Особая роль в антропном принципе, как мы отмечали ранее, принадлежит «темной» материи и «темной» энергии. Наука столкнулась с большой группой фактов, раздельное рассмотрение которых создает впечатление о необъяснимых совпадениях, граничащих с чудом (более подробно: Barron J.D., Tipler F.J. The antropic cosmological principle, Oxford, 2-nd, ed., 1986). По мнению ученого-физика Дж. Уилера: «Фактор, дающий жизнь, лежит в центре всего механизма и конструирует мир».
Литература
1. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М. Наследников, А.Я Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. Ростов н/Д: ДГТУ, 2008 - 350 с. [Электронный ресурс №ГР 15393, 2010]. Режим доступа: http:// de.dstu.edu.ru/, с. 146-162, 217-229, 238-239, 251-256.
7. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания6 учеб-метод. пособие./ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. Ростов н/Д, 2007, с. 56-63.
8. Суханов А.Д. концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ А.Д. Суханов, О.Н. Голубева. М.: Дрофа, 2004, с. 217-239.
9. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: учебное пособие/ В.В. Горбачев. Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников - СПб.: Издательство «Лань», 2010, с. 98-105, с. 123-126, 130-133, 136-138.
10. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие, 4-е изд., испр./ Н. М. Кожевников. СПб.: Издательство «Лань», 2009, с. 165-227, 231-243.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Особенности естественнонаучного познания, его методы и история формирования. Панорама современного естествознания, тенденции его развития. Структурные уровни функционирования материи. Оболочки Земли, их роль и организация. Происхождение и сущность жизни.
курс лекций [63,7 K], добавлен 22.11.2010Библейские представления и развитие естествознания. Взаимоотношение времени и вечности в теории сотворения. Концепции возникновения жизни, их разновидности и особенности. Основные положения естественнонаучной теории, этапы зарождения жизни на Земле.
курсовая работа [48,9 K], добавлен 11.11.2010Электромагнитные взаимодействия как определяющий уровень организации материи. Сущность живого, его основные признаки. Структурные уровни организации живой материи. Предмет биологии, ее структура и этапы развития. Основные гипотезы происхождения жизни.
лекция [28,4 K], добавлен 18.01.2012Эволюция научного метода и естественнонаучной картины мира. Развитие научных исследовательских программ. Пространство, время и симметрия. Системные уровни организации материи. Порядок и беспорядок в природе. Панорама современного естествознания.
курс лекций [47,6 K], добавлен 15.01.2011Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Предмет и метод естествознания. Динамика естествознания и тенденции его развития. История естествознания. Структурные уровни организации материи. Макромир. Открытые системы и неклассическая термодинамика.
книга [353,5 K], добавлен 21.03.2009Научный метод познания. Принципы симметрии и законы сохранения. Специальная и общая теория относительности. Структурные уровни и системная организация материи. Порядок и беспорядок в природе. Панорама современного естествознания. Биосфера и человек.
тест [32,4 K], добавлен 17.10.2010Цель и предмет курса "Концепции современного естествознания", основные термины и понятия. Специфические черты науки, виды культуры. История становления научных знаний. Естественнонаучная картина мира. Внутреннее строение Земли. Законы химии и биологии.
шпаргалка [136,9 K], добавлен 12.02.2011Определение понятия энтропии и принципы ее возрастания. Различия между двумя типами термодинамических процессов - обратимыми и необратимыми. Единство и многообразие органического мира. Строение и эволюция звезд и Земли. Происхождение и эволюция галактик.
контрольная работа [230,8 K], добавлен 17.11.2011Эволюция звезд, происхождение химических элементов и планетная химическая эволюция. Донаучный этап химии, ремесленная химия, алхимия античности и средневековья. Главная задача химии и основные этапы ее развития. Концепции структуры химических соединений.
реферат [45,6 K], добавлен 07.01.2010Формы научного знания. Атомистическое учение Левкиппа и Демокрита. Электромагнитная физическая картина мира. Общая характеристика звезд, их виды и эволюция. Свойства живых организмов. Концепции происхождения человека. Понятие информации в кибернетике.
контрольная работа [47,7 K], добавлен 24.03.2011
