Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

122

установленный факт, как смещение спектральных линий света,

идущего от далеких галактик, который интерпретируется как

удаление, или «разбегание», их от наблюдателя. Кроме того,

эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как

нарушение симметрий в процессе образования все новых и

более сложных материальных стр уктур и систем, которая лежит

в фундаменте современной концепции системного подхода и

синергетической самоорганизации. Этим, однако, не

ограничивается связь синергетики со стандартной моделью

Вселенной. Процессы микроэволюции Вселенной,

продолжавшиеся не менее 10 миллиардов лет, привели к

образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для

начала макроэволюции Вселенной, в результате которой

возникли окружающие нас макротела, разнообразные их

системы вплоть до галактических. Здесь существенное значение

принадлежит различным физическим взаимодействиям. В

настоящее время, как отмечалось выше, различают четыре типа

физических взаимодействий. Непосредственно мы можем

воспринимать два их типа:

– гравитационные взаимодействия, т.е. силы тяготения,

которые действуют на все макротела и притом на достаточно

больших расстояниях. Именно они, как хорошо известно,

определяют движения планет, звезд, галактик и других

космических систем;

– электромагнитные силы, которые играют решающую

роль при образовании молекул, химических соединений,

кристаллов и всех систем, которые занимают промежуточное

положение между микромиром и мегамиром, состоящим из

космических объектов и систем.

Остальные два типа физических взаимодействий (яде рные

и слабые) непосредственно не воспринимаются человеком, но

играют существенную роль при образовании разнообразных

объектов микромира. Следует, впрочем, отметить, что

приведенная характеристика четырех типов взаимодействий

относится лишь к их современному состоянию. В ходе эволюции

они соотносились иначе, а на первоначальном этапе, когда

Вселенная была достаточно горячей, ядерные силы находились

в симметрии с гравитационными, а силы электромагнитного

взаимодействия – со слабыми взаимодействиями. Только

вследствие нарушения симметрии между сильными ядерными и

123

гравитационными силами стало возможным образование

небесных тел, галактик и других космических систем. В свою

очередь, нарушение симметрии между электромагнитными

силами и слабыми взаимодействиями привело к образованию

огромного множества тел, стр уктур и систем, которые

составляют окружающий нас видимый мир. Таким образом,

благодаря нарушению симметрии между разными типами

физических взаимодействий стало возможно не только

возникновение микро- и макрообъектов, но также последующая

взаимосвязанная эволюция микроскопической и

макроскопической ветвей развития.

Микроэволюция обеспечила условия для развертывания

макроэволюции. Освобождение гравитационных сил,

произошедшее вследствие разрушения их симметрии с

ядерными силами примерно через 700 тыс яч лет после взрыва,

привело к образованию звезд, галактик, их скоплений и других

космических систем. В свою очередь гравитационные и ударные

волны способствовали возникновению и развитию ядерных

реакций внутри звезд и ядер галактик и их скоплений.

Следовательно, микро- и макроэволюции дополняли друг друга,

вот почему они представляют собой две ветви единого

процесса. Отсюда становится ясным, что возникновение и

эволюция физических, химических, геологических и других

систем не органической приро ды прочно укладывается в рамки

космической и земной эволюции. Однако наиболее важным для

понимания места человека во Вселенной является

возникновение жизни на Земле и социально-экономическая и

культурно-историческая эволюция человечества.

Мировоззренческие проблемы

космологической эволюции

Возникновение и развитие современно й релятивистской

космологии имеют большое мировоззренческое значение. Оно

во многом изменило наши прежние представления о на учной

картине мира. Особенно радикальным было открытие так

называемого красного смещения, свидетельствующего о

расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не учитывать

при построении космологических моделей. Считать ли

124

Вселенную бесконечной или конечной – зависит от конкретных

эмпирических исследований и прежде всего от определения

плотности материи во Вселенной, что имеет решающее

значение для оценки кривизны пространства–времени.

Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель

должна быть открытой, при положительной – замкнутой. Однако

оценка плотности распределения материи во Вселенной

наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием

так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных

облаков космической материи. Хотя никакого окончательного

вывода о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой,

сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-

видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели. Во всяком

случае такая модель лучше согласуется с неограниченно

расширяющейся Вселенной. Замкнутая же модель предполагает

конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия.

Как мы уже отмечали выше, коренной недостаток такой модели

состоит в том, что пока современная наука не располагает

какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К

тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что

эволюция Вселенной началась с Большого взрыва. Наконец,

остается нерешенной и пр облема оценки плотности

распределения материи и связанной с ней величины кривизны

пространства–времени.

Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной,

который определяется по длительности ее расширения. Если бы

расширение происходило с постоянной скоростью, равной в

настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала

Большого взрыва, составило бы 13 миллиардов лет. Однако

есть основания полагать , что расширение происходит с

замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой

стороны, если допустить существование отталкивающих

космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше.

Значительные трудности связаны также с обоснованием

первоначально «горячей» модели в сингулярной области,

поскольку предполагаемые плотности и температуры никогда не

наблюдали и не анализировали в современной астрофизике. Но

развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что

и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены.

Главный же итог современны х исследований состоит в том, что

125

они показали: Вселенная не находится в стационарном

состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в

ней температуры. Именно в результате такого процесса

происходит эволюция материи, связанная с появлением новых и

сложных структ ур.

В больших масштабах Метагалактику можно считать

однородной и изотропной, но в масштабах меньших

встречаются неоднородности в виде систем галактик и звёзд.

Как же они могли возникнуть в однородной, изотропной и

расширяющейся среде? Видимо, какие-то неоднородности и

возмущения были и на ранней стадии образования Вселенно й.

В 1946 г. академик Е.М. Лившиц на основании общей теории

относительности Эйнштейна рассмотрел вопрос о малых

неоднородностях в однородной среде. Выяснилось, что

неоднородности, возникшие в гравитационно неустойчивых

средах, с течением времени растут. Скорость роста зависит от

соотношения в ней вещества и излучения. В процессе эволюции

«выжили» только крупномасштабные неоднородности. Их массы

могли быть в 10

–10

раз больше массы Солнца и продолжали

свой рост, достигая массы, сравнимой с массой крупных

скоплений галактик. Такие массивные облака газа приобретают

не сферическую форму, а становятся похожими на гигантские

«блины». Это происходит вследствие беспрепятственного

сжатия, которое неодинаково по разным направлениям. Кроме

того, плавное сжатие на некотором этапе приобретает характер

сверхзвуковой ударной волны: скорость падения газа в облаке

превысила скорость теплового движения частиц, и образовались

скачки давления, температуры и плотности. В разных частях

расширяющейся Вселенной могли возникнуть разные «блины».

Те, которые родились позже, имели меньшие массу, плотность,

температуру. Продукты распада «блинов» тоже оказались

разными: из одних «блинов» образовались скопления галактик,

из других – небольшие группы галактик, из третьих – одиночные

галактики. Ударные волны могли стать причиной вращения

галактик. Взаимодействуя между собой, «блины» могут

довольно естественно образовывать границы наблюдаемых

ячеек крупномасштабной ст руктуры Вселенной. Многие

недостающие звенья картины воссоздания современной

ячеистой структуры способны восполнить не йтрино,

обладающие определённой массой покоя.

126

Предположения о существовании массы покоя у нейтрино

высказывались неоднократно, и в конце 80-х гг. были сведения

об обнар ужении такого свойства нейтрино в СССР и США.

Согласно теории Большого взрыва, нейтринные облака

сформировались примерно через 300 лет после начала

расширения, а обычное вещество стало переходить из

плазменного состояния в состояние нейтрального газа пример но

через миллион лет после нач ала расширения. Поэтому в

формировании структуры обычного вещества большую роль

сыграли нейтрино. Их можно назвать «тестом», на котором

пеклись «блины». Когда обычное вещество стало собираться в

центральных частях нейтринных облаков, проявилась ячеистая

структура Вселенной.

Каждая галактика, возникшая из распавшихся «блинов»,

имела свой ж изненный путь: в ней возникали шаровые звёздные

скопления, звёзды разных поколений и т.д. Нап ример, в нашей

спиральной Галактике массивные звёзды первого поколения

завершили свой жизненный путь и, взорвавшись, обогатили

межзвёздную среду тяжёлыми элементами. Часть из них вошла

в состав звёзд нового поколения. Звёзды последующих

поколений, включая те, которые рождаются на наших глазах,

формируются в обнаруженных недавно молекулярных облаках,

богатых молекулами водорода, других веществ и меж звёздной

пылью. Звёзды малых масс эволюционируют медленно, и

поэтому многие из них дожили до наших дней.

Очень важна роль в строении и эволюции галактик

молекулярных облаков. Частицы пыли в них способствуют

образованию молекул (Н

, СО, ацетона (СН

)

СО,

цианодекапентина НС

N и др.) и защищают их от разрушения

ультрафиолетовым излучением горячих звёзд. Именно в

молекулярных облаках рождаются различные группы молодых

звёзд: ассоциации, рассеянные скопления и другие в

зависимости от массы облака.

Молодым звездам с м ассой, близкой к массе Солнца,

предстоит долгая жизнь – не менее 10 миллиардов лет. Звезды

с массой в несколько десятков раз больше массы Солнца живут

несколько миллионов лет, а звезды с массой в два раза меньше

солнечной, могли бы спокойно жить до 100 миллиардов лет.

Звезда – это основная структурная единица мегамира.

Галактики, Метагалактика, другие структуры космического

127

масштаба состоят из звезд. Известно много различных типов

звезд. Как мы уже говорили выше, каждая звезда проходит

различный эволюционный путь, переходя из одного типа в

другой. Их можно разделить на две большие группы:

обыкновенные звезды и компактные звезды. К компактным

звездам относят белые карлики, нейтронные звезды, черные

дыры. Их размеры лежат в пределах от нескольких километров

до нескольких тысяч километров. Размеры нормальных звезд

изменяются от 10

до 10

м. Ближайшая к нам звезда Солнце.

Солнце является источником жизни на Земле.

Масса Солнца составляет 2

кг, радиус – 7

км.

Количество энергии, излучаемой Солнцем огромно. В секунду

Солнце излучает 4

Дж энергии. На долю нашей планеты

приходится лишь одна миллиардная часть этой энергии. За

время существования жизни на Земле (около 3,5 млрд лет)

Солнце излучило 4

Дж. Отк уда же берется такое количество

энергии? Какие процессы на нашем светиле обеспечивают такое

постоянство свечения? Ведь если бы светимость Солнца

уменьшилось за это время в несколько раз, жизни на земле не

было бы. Поэтому, если Солнце и меняло свою светимость, то

не более чем на несколько процентов.

В разное время источником энергии Солнца считали

различные причины. Так, И. Ньютон и Ю. Майер считали, что

источником энергии Солнца служит кинетическая энергия

падающих на него метеоритов и комет. Г. Гельмгольц и У.

Томпсон (лорд Кельвин) в конце XIX века предположили, что

выделение энергии Солнцем обеспечивается его радиуса под

действием его собственной гравитации. Астроном Дж. Джинс

предположил, что источником энергии Солнца является

радиоактивность. Джинс был близок к пониманию проблемы,

также как и один из пионеров астрофизики А. Эддингтон,

которые считали, что источником энергии Солнца является

атомное ядро. В 1939 году Х .А. Бете построил количественную

теорию, объясняющую ядерные процессы в звездах. Было

установлено, что звезды – это гигантские природные

термоядерные реакторы.

Термоядерные реакции – это реакции синтеза более

тяжелых ядер из легких. Самая распространенная

термоядерная реакция это реакция синтеза ядер гелия из ядр

водорода:

128

Н !

Не + 2ν + 2 е

+ 26 МэВ.

Масса образовавшихся ядер гелия на 0,7% меньше

суммарной массы четырех ядер водорода вследствие дефекта

масс. Пользуясь формулой Эйнштейна Е = mc

можно, правда

достаточно грубо, оценить запас энергии в Солнце,

предполагая, что оно все состоит из водорода, который целиком

превратится в гелий:

0,7М

= 120

Дж.

Это в 30 раз больше, чем требуется для обогрева Земли в

течение 3,5 млрд лет. Более точные расчеты показывают, что

запаса термоядерного горючего в Солнце для обеспечения

постоянного свечения может хватить на 10 млрд лет.

Источники энергии звезд

Рассмотрим про извольный элемент вещества в звезде,

находящийся на расстоянии R от цен тра звезды. На этот

элемент действуют две противоположно направленные силы:

сила гравитации, стремящаяся «утопить» элемент в звезде, и

сила давления внутренних слоев звезды, старающаяся

вытолкнуть элемент на поверхность. Для элемента,

находящегося в равновесии, очевидно, выполняется равенство

грав

(R) = F

давл

(R).

Равновесие нарушается, если по какой-либо причине одна

из сил пр евалирует над другой. Предполож им, что в центре

звезды иссякло термоядерное горючее. Перед нами объект,

теряющий энергию с поверхности, причем эта потеря

компенсируется притоком энергии за счет термоядерных

реакций. Тогда в центральных частях звезды упадет давление, и

вся звезда под действием сил гравитации начнет сжиматься к

центру. При этом температура в цент ральной части звезды

будет повышаться. Удивительное и парадоксальное свойство

звезды: она теряет энергию на излучение с поверхности и, в

тоже время, сжимаясь, разогревается внутри. Теряя энергию,

звезда нагревается. Такие системы известны и в физике. Они

называются системами с отрицательной теплоемкостью. Это

свойство звезды играет решающую роль а процессе ее

эволюции. Благодаря этому свойству весь ход эволюции звезды

направлен в сторону повышения температуры ее недр.

129

Зависимость плотности, давления и температуры от

радиуса (расстояния до центра) звезды называется моделью

звезды. Расчеты модели звезды (решение уравнения обычно

проводятся с помощью ЭВМ. По результатам расчетов строят

графики графики распределения температуры и плотности для

звезды. Из этих графиков становится видно, что температура Т

возрастает при приближении к центру звезды. Так, если на

поверхности Солнца Т= 6000 К, то в центре Т

=15 млн К.

Давление и плотность в центре Солнца также достигают

чудовищных значений: Р

=4×10

атм и ρ

=1,4×10

кг/м

. Важно

также отметить, что для звезд большей массы значения Т

с,

, Р

, и

еще выше.

По закону Кулона, чем больше заряды ядер, тем большую

силу отталкивания им надо преодолеть, чтобы произошло их

слияние (синтез). Для того, чтобы произошла термоядерная

реакция, ядра должны иметь большую относительную скорость,

т.е. обладать большим запасом кинетической энергии.

Насколько большим? Все хорошо знают физическую величину,

которая является мерой кинетической энергии частиц в газе, -

это температура.

Каждая термоядерная реакция протекает при

определенной температуре. И чем сложнее ядра, участвующие

в реакции, тем выше значение этой температуры. Наприме р,

реакция слияния атомов

Н идет при Т= 15 млн К, а для слияния

ядер

С требуется значительно более высокая: Т=800 млн К.

Именно температура определяет скорость протекания тех или

иных термоядерных реакций в звезде. Даже небольшое

изменение температуры вызывает заметное изменение темпа

термоядерной реакции. Увеличение температуры ускоряет ход

реакции, а уменьшение – замедляет.

Каждая звезда за время своей жизни проходит

определенный эволюционный путь. Этот путь состоит из

нескольких этапов. Наше Солнце, видимо, прошло и еще

пройдет эти этапы на своем жизненном пути.

Первый этап эволюции звезды – сжатие газопылевого

облака, которое начинается в результате какого-либо внешнего

импульса. На первых порах, пока облако еще прозрачно,

увеличение плотности не приводит к возрастанию температуры.

Избыток тепловой энергии, возникающий при стремительном

увеличении плотности, превращается в электромагнитное

130

излучение, которое беспрепятственно выходит в открытый

космос.

Рано или поздно, наступает такой момент в эволюции

звезды, когда плотность газа возрастает до такой степени, что

кванты электромагнитного излучения начинают «застревать» в

веществе протозвезды, передавая свою энергию молекулам и

пылинкам. Путь, по которому энергия выходила из недр

протозвезды, теперь блокирован непрозрачными слоями

вещества. В результате температура внутри протозвезды

начинает стремительно повышаться. Протозвезда медленно

сжимается и разогревается. Когда температура в ее недрах

достигает значения около 6 млн К, на чинаются термоядерные

реакции превращения водорода в гелий. Однако даже после

начала термоядерных реакций сжатие еще некоторое время

продолжается. Оно прекращается только тогда, когда энергия

термоядерных реакций уравнивает силу давления с силой

гравитации. При этом, мощность «термоядерного реактора»

внутри звезды становится равной мощности излучения звезды.

После прекращения сжатия звезда вступает на главную

последовательность. Этап горения водорода в недрах звезды –

самый длительный в эволюции звезды. Причем, чем меньше

масса звезды, тем дольше он длится. Для таких звезд, как наше

Солнце, этот этап продолжается, по-видимому, около 10 млрд.

лет.

Стадия главной последовательности заканчивается после

того, как выгорает весь водород в центральном «термоядерном

котле». Теперь внутри звезды находится гелиевое ядро.

Термоядерное «горючее» в «топке» кончилось, и силы давления

больше не препятствуют сжатию звезды. Звезда сжимается, а

температура в центре растет. После этого этапа жизнь звезд

типа нашего Солнца (астрономы считают такие звезды

маломассивными) близится к финалу, а звездам с большой

массой предстоит пройти еще много этапов эволюции.

Поскольку Солнце вызывает нашу вполне понятную

заинтересованность, рассмотрим конечные стадии его

эволюции. Примерно через 5 млрд лет в ядре Солнца весь

водород превратится в гелий. К этому времени в окрестностях

ядра, где химический состав не претерпел изменений, начнутся

термоядерные реакции горения водорода. Этот этап называют

горением слоевого источника.

131

Горение слоевого источника резко повышает давление

внешних слоев звезды. Получается странная вещь: в центре

звезды идет сжатие, а во внешних слоях F

грав

( R ) < F

давл

( R ), и

потому они расширяются. Снаружи будет казаться, что звезда

разбухает до огромных размеров. Это последнее, что можно

было бы увидеть с нашей обреченной планеты. Цвет Солнца

станет насыщенно-красным, а ее размеры будут таковы, что

орбита Земли окажется внутри раскаленной плазмы звездной

атмосферы. Мы знаем много таких звезд и называем их

красными гигантами. Фаза гиганта длится 100 млн лет и

заканчивается медленным и плавным отделением внешней

оболочки от гелиевого ядра.

Дальнейшая судьба Солнца также известна. Внешние

слои, пол учившие название «планетарной туманности»,

расширятся еще сильней и, након ец, совсем растают в

бесконечных просторах Космоса. А гелиевое ядро – «белый

карлик» – будет остывать, превратится в коричневый, а затем и

вовсе потухнет («черный карлик»). Такая черная головешка

будет вечно носиться в Галактике.

Когда в результате сжатия температура в недрах звезды

достигнет 200 млн К, начинается термоядерная реакция

слияния ядер гелия с образованием углерода. Эта реакция идет

по схеме:

CHe

+ 2ν + 7,3 МэВ (γ-фотон).

Ядра углерода могут присоединять ядра гелия и

образовывать кислород. Таким образом, продуктами ядерного

горения гелия являются углерод и кислород, образующиеся в

приблизительно равных количествах:

+→+ OHeC

;

+→+ NeHeO

В массивных звездах, после того как истощается

(выгорает) весь гелий, центральная часть звезды, состоящая из

углерода и кислорода, вновь теряет устойчивость и начинает

сжиматься с повышением температуры. Температура

повышается и в прилегающем к ядру звезды слое, состоящем из

гелия, а также повышается и во внешних слоях, состоящих из

водорода. Поэтому начинается горение гелия и водорода в

тонкой оболочке вокруг уже неактивного углеродно-