Построение вселенной.  Структура Вселенной. Масштабы Вселенной

Александр Захаров ([email protected])

“Построение” Вселенной

(Когда я написал эту статью и отослал ее Александру Тер-Оганесянцу, оказалось, что он активно переписывается с Евграфом Дулуманом и уже опубликованы

письма . Так же (оказывается!) вышла в свет статья Юрия Шеляженко “ Каждый волен верить, что он атеист ”. Тема возникновения Вселенной пользуется популярностью J )

“Разнообразнейшие вещества, сочетаясь на тысячи ладов, непрерывно получают и сообщают друг другу различные движения. Различные свойства этих веществ, их различные сочетания, их разнообразные способы действия, являющиеся необходимыми следствиями этого, составляют для нас сущность всего существующего, и от различия этих сущностей зависят различные порядки, категории или системы, занимаемые этими веществами, совокупность которых составляет то, что мы называем природой.”

Поль Анри Гольбах (1723 – 1789), “Система природы”.

Я обнаружил любопытную статью Александра Тер-Оганесянца “Строение вселенной” . Автор излагает свой взгляд на устройство Вселенной и, на мой взгляд, достаточно интересный. Вначале он пишет:

Я прошу Вас найти ошибки в моих рассуждениях о строении Вселенной.”

Я не хотел бы “искать ошибки” в рассуждениях автора (для этого нужно быть кем-то вроде бога, а сам бог упорно молчит на эту тему J ), скорее всего мне хотелось бы высказать свое видение этого непростого вопроса в качестве обсуждения его статьи. Я бы не назвал мою статью критической, т.к. те вещи, о которых идет речь – это гипотезы и ни я, ни уважаемый Александр Карлович, думаю не в состоянии подтвердить или опровергнуть свою или чужую точку зрения. J Своей статьей я хочу лишь порассуждать вместе с автором над строением Вселенной (тоже достаточно схематично), так сказать, принять участие в “построении Вселенной” как целостной картины в сознании человека. Ну и попутно высказать свое мнение о его гипотезе.

Вот что он пишет:

“Вселенная бесконечна в пространстве и во времени. Только приняв этот постулат, мы можем избавиться от известных вопросов: А что там дальше? и Что было раньше? При этом следует иметь в виду, что то, что мы часто называем Вселенной, на самом деле является нашей Метагалактикой, то есть той части Вселенной, которая подвластна нашим исследованиям.”

На мой взгляд, бесконечность Вселенной в пространстве и во времени – это, конечно, своего рода постулат, но я бы сказал, что он вводится не от того, чтобы отсекать “неугодные” вопросы, а по причине того, что это наименее абсурдное предположение, т.к. все остальные варианты “в пределе” имеют больше вопросов, чем ответов. А основываться на чем-то необходимо. И действительно, не стоит забывать о понятии Вселенная:

Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Вселенная, изучаемая астрономией, - часть материального мира, которая доступна исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки (часто эту часть Вселенной называют Метагалактикой ).

Так что, я думаю, например, что речь о “возникновении Вселенной” может идти применительно именно к Метагалактике, к Вселенной это не относится уже по определению – она существовала всегда. А “наша Метагалактика” когда-то возникла и до сих пор развивается по своим законам. А на вопросы, что было раньше до нашей метагалактики ответить, думаю, еще долго (а может и бесконечно долго) будет невозможно.

Во Вселенной существуют две первоосновы, или, если хотите две объективные реальности: Материя и Сознание. Задаваться т. н. “основным вопросом философии” - что первично? - на самом деле бессмысленно, так как Материя и Сознание существовали и будут существовать вечно. Это все равно, что спрашивать, что было раньше: курица или яйцо? И Материя и Сознание подчиняются своим законам сохранения: не возникают из ничего и не превращаются в ничто, а только переходят из одной формы в другую. Форм существования и Сознания и Материи в бесконечной Вселенной, разумеется, существует бесконечное множество.

Мне кажется, автор прозрачно для себя ввел еще один постулат: “Во Вселенной существуют две первоосновы, или, если хотите две объективные реальности: Материя и Сознание”. Для меня очень сомнительное утверждение, т.к. я приемлю следующее определение материи:

Материя – субстанция; субстрат (основа) всех реально существующих в мире свойств, связей и форм движения; бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем. Неотъемлемый атрибут материи – движение; материи присущи саморазвитие, превращение одних состояний в другие. Всеобщие объективные формы бытия материи – пространство и время. Особые типы материальных систем – живая материя (совокупность организмов, способных к самовоспроизводству) и социально-организованная материя (общество).

И мне кажется, что “Сознание” в предложенной автором схеме является нужной (для его гипотезы), но в тоже время “лишней” сущностью (т.е. для объяснения можно обойтись и без этого). J Да и что понимать под Сознанием? Вот, например, определение из ЭС:

Сознание – одно из основных понятий философии, социологии, обозначающее человеческую способность идеального воспроизведения действительности в мышлении. … Сознание выступает в двух формах: индивидуальной (личной) и общественной. Общественное сознание – отражение общественного бытия; формы общественного сознания: наука, философия, искусство, нравственность, религия, политика, право.

Далее, конечно, автор комментирует, что является Сознанием в его понимании, но, по моему глубокому убеждению, его трактовка является некорректной, да и ко всему прочему имеет еще и определенный религиозный отпечаток (хотя автор и атеист J ).

Основное свойство Материи выражено во втором начале термодинамики: “В замкнутой физической системе возможен только рост энтропии”. Энтропия – мера разупорядоченности системы. Материя всегда стремится к разупорядоченности, разрушению, хаосу.

Если пофилософствовать. Я бы не назвал свойством материи стремление к разупорядоченности, разрушению, хаосу. Ну а применение слова “разрушение” к материи (в общем виде) я считаю, мягко сказать, неуместным (есть ведь понятие “структура” и “переход”). Кроме того, автор совсем упускает немаловажный контекст: “В замкнутой физической системе …”, хотя вероятно, замкнутость “нашей метагалактики” имеет место быть, если рассматривать ее с точки зрения человека, как наблюдателя и объекта, подверженного законам самой метагалактики, находящегося в ней, т.е. получается этакое замкнутое пространство действия законов и материя имеет свойство переходить из одних определенных видов в другие определенные виды (и всё это “подвешено” в абсолютной пустоте J ). Нельзя исключать вероятность того, что “наша метагалактика” может иметь “области перехода” в другие пространства с иными законами. Почему бы и нет? У меня есть фраза: “Если можно изменить законы природы, то у природы есть законы изменения законов природы”. J

Закон (один из многих) существования материи (“не возникает из ничего и не превращается в ничто”) по моему мнению, в моей гипотезе, носит излишний характер (по причине слова “ничего”), т.к. если говорить о пустоте/вакууме и т.п. сущностях “ничего”, то я бы сказал, что к примеру, вакуум (что-то вроде межзвездного пространства или физического вакуума или подобное) – это тоже есть форма существования материи. Если для нас, как исследователей/наблюдателей абсолютный вакуум – это “ничто”/“пустота”, то это говорит лишь о том, что данный вид материи – это абсолютно неизученная область или попросту мы ничего “там” не видим, что смогли увидеть увидели, убрали и получился вакуум J Т.е. материя – это, в моей гипотезе, абсолютно широкое понятие и я не вижу причин ограничивать формы материи и их свойства какими-то выдуманными рамками. Всякое “ничто” - есть нечто! J (Для любителей аналогий: если смотришь через чистое прозрачное стекло – его не замечаешь, его как бы и нет, но стоит распылить на его поверхность воду… J )

Основным свойством Сознания является стремление к созиданию, порядку и гармонии. Между Материей и Сознанием идет непрерывная и вечная борьба, что и является основой развития Вселенной.

Слова “порядок”, “гармония” являются субъективными оценками. Есть словочетание “Закон мироздания”. Из этого Закона и следует, в общем-то, вся “гармония” и “порядок”. Был бы другой Закон (сумма законов) – был бы другой порядок и гармония. Порядок – это следование какому-то определенному правилу, закону. Гармония – это более широкий термин, но тоже из “этой” области.

Слово “созидание” как-то сразу предусматривает наличие личностных характеристик, что в свою очередь неуклонно ведет нас к понятию “бог”. J Но это еще “вилами на воде писано”, а главное состоит в том, что мне представляется очень странным противопоставление Материи Сознанию. Прямо таки борьба добра и зла! “Добро обязательно победит Зло. Поставит на колени и зверски убьет” J

На Земле Сознание одержало локальную победу и естественный для Материи ход развития системы нарушился: на Земле появилась жизнь, а затем разумная жизнь.

Я, мягко сказать, поостерегся бы разделять живую материю на разумную и неразумную, скорее она более разумна и менее разумна.

Человеческий разум – одна из форм существования Сознания- неразрывно связан с материальной частью человека – его телом- одной из форм существования Материи. Разум и тело находятся в непрерывной борьбе, что и является основой развития человеческой цивилизации. В момент зачатия подобно телесному зародышу – оплодотворенной яйцеклетке- появляется зародыш сознания, составленный из элементов разума отца и матери и развивающийся по своим законам. После смерти человека, подобно телу, разум распадается на элементарные составляющие, которые растворяются в мировом Сознании.

Красиво конечно, но чтобы дойти до этой “красоты” необходимо сделать достаточно много “постулатов”. J Думаю, “в таком деле” нужно не красоту искать, а непротиворечивость (по крайней мере).

5. Открытие в середине 20-х годов американским астрономом Хабблом закона “разбегания галактик” привело к появлению теории “Большого взрыва”, согласно которой вся наша Метагалактика (галактики, звезды, планеты и др. объекты) образовалась в результате “вспышки” супервещества, спресованного в весьма ограниченном объеме пространства. Некоторые религиозные философы увидели в этой теории подтверждение известного Библейского текста о сотворении мира из хаоса. Я же полагаю, что в действительности дело обстояло ровно наоборот. И дело, конечно же, не в гигантском несовпадении сроков рождения Вселенной: 7,5 тыс. лет назад по Библии и 18 млрд. лет по теории “Большого взрыва”.

Мне представляется, что до Большого взрыва Вселенная являла собой весьма гармоничную и сбалансированную систему, в которой царствовало Сознание, а Материя, подобна джинну, была загнана в бутылку. Вероятно, в какой-то момент Сознание утратило контроль над Материей, либо внутреннее напряжение “в бутылке” достигло критического уровня. В результате и произошло глобальное освобождение Материи, по сравнению с чем гипотетическая термоядерная катастрофа на Земле представляется комариным укусом.

Не знаю, насколько обоснованно выделение факта возникновения “нашей метагалактики” в разряд “из ряда вон выходящего”. Мое мнение заключается в том, что таким образом произошло перерождение-переход одного вида материи в другой. Кто знает, быть может, это был вполне “закономерный процесс”. Почему закономерный в кавычках? Просто я считаю, что до возникновения “нашей метагалактики” с ее законами существования определенного количества форм материи, которые мы можем исследовать,существовали иные законы и иные формы материи и не обязательно те, которые мы определяем как присущие именно “нашей метагалактике”. Тут необходимо разделять некоторым образом. Более формально и другими словами я это выражаю в виде риторического вопроса: “корректно ли пытаться описывать то, что было до возникновения нашей вселенной законами существования нашей вселенной?” J (под Вселенной подразумевается “наша метагалактика”).

Почему я подчеркиваю, что метагалактика именно “наша”? Не вижу оснований для того, чтобы не допускать (в моей трактовке бытия Вселенной), что возможно (я бы даже не побоялся бы сказать “очень вероятно”) существование других образований в виде метагалактик, которые имеют и такое же строение, внутренние законы, а также иных форм метагалактик с иными законами, количеством форм материи, так сказать, участвующих в устройстве такого образования , и живой материей, для которой, какое-нибудь десятимерное пространство – “дом родной”. J И эта живая материя является, своего рода, результатом определенного законами именно этой метагалактики процесса развития определенных видов материи. Ну а говоря уже о живой материи и о сознании: ну что ж, бытие определяет сознание! А материя рождает его. (А потом и наоборот… J )

Однако в вечной борьбе Сознания и Материи замечательно то, что ни одна победа какой-либо стороны, какой бы глобальной она ни казалось, на самом деле не является окончательной. Вполне вероятно, что через каких-нибудь 5-10 млрд. лет “разбегание галактик” закончится и начнется обратный процесс. А пока Сознание ведет с Материей войну на всех необъятных просторах Метагалактики, одерживая кое-где (например на Земле) локальные победы.

Что ждет “нашу метагалактику” - это вопрос пока открытый, но думаю, он решаем в будущем… в далеком будущем J .

Все это, конечно, очень схематично, и я был бы рад еще порассуждать с Вами на темы строения Вселенной. Буду Вам весьма признателен, если Вы мне ответите.

Ну, вот и ответили. J У меня тоже многое схематично, но как говорил М. Ломоносов: “Природа весьма проста. Что этому противоречит - должно быть отвергнуто”. Ну и конечно же “простота” - это понятие относительное. J

В заключении, хочу привести еще одно, на мой взгляд интересное высказывание, касающееся взаимоотношений человека и Природы (метагалактики, вселенной). Думаю в контексте “баталий” Сознания с Материей у автора будет уместно привести его:

“Природа никогда не борется с человеком, это пошлый религиозный поклеп на нее, она не на столько умна, чтобы бороться, ей все равно… Природа не может перечить человеку, если человек не перечит ее законам…”

Александр Иванович Герцен (1812 – 1870), “Собрание сочинений”.

Публикации по теме
Тер-Оганесянц Я прошу Вас найти ошибки в моих рассуждениях о строении Вселенной
Ю. Шеляженко "Каждый волен верить, что он атеист "
Дулуман Е. "Обмен мнениями между технарем и философом о нашей Вселенной и попутно о Боге с приложением письма Марине "
Захаров А. ""Построение" Вселенной "
Тер-Оганесянц Ответ моим критикам

20. Радиосвязь между цивилизациями, находящимися на различных планетных системах

21. Возможность осуществления межзвездной связи оптическими методами

22. Связь с инопланетными цивилизациями с помощью автоматических зондов

23. Теоретико-вероятностный анализ межзвездной радиосвязи. Характер сигналов

24. О возможности прямых контактов между инопланетными цивилизациями

25. Замечания о темпах и характере технологического развития человечества

II. Возможна ли связь с разумными существами других планет?

Часть первая АСТРОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ПРОБЛЕМЫ

1. Масштабы Вселенной и ее строение Если бы астрономы-профессионалы постоянно и ощутимо представляли себе чудовищную величину космических расстояний и интервалов времени эволюции небесных светил, вряд ли они могли успешно развивать науку, которой посвятили свою жизнь. Привычные нам с детства пространственно-временные масштабы настолько ничтожны по сравнению с космическими, что когда это доходит до сознания, то буквально захватывает дух. Занимаясь какой-нибудь проблемой космоса, астроном либо решает некую математическую задачу (это чаще всего делают специалисты по небесной механике и астрофизики-теоретики), либо занимается усовершенствованием приборов и методов наблюдений, либо же строит в своем воображении, сознательно или бессознательно, некоторую небольшую модель исследуемой космической системы. При этом основное значение имеет правильное понимание относительных размеров изучаемой системы (например, отношение размеров деталей данной космической системы, отношение размеров этой системы и других, похожих или непохожих на нее, и т. д.) и интервалов времени (например, отношение скорости протекания данного процесса к скорости протекания какого-либо другого). Автор этой книги довольно много занимался, например, солнечной короной и Галактикой. И всегда они представлялись ему неправильной формы сфероидальными телами примерно одинаковых размеров - что-нибудь около 10 см... Почему 10 см? Этот образ возник подсознательно, просто потому, что слишком часто, раздумывая над тем или иным вопросом солнечной или галактической физики, автор чертил в обыкновенной тетради (в клеточку) очертания предметов своих размышлений. Чертил, стараясь придерживаться масштабов явлений. По одному очень любопытному вопросу, например, можно было провести интересную аналогию между солнечной короной и Галактикой (вернее, так называемой "галактической короной"). Конечно, автор этой книги очень хорошо, так сказать, "умом" знал, что размеры галактической короны в сотни миллиардов раз больше, чем размеры солнечной. Но он спокойно забывал об этом. А если в ряде случаев большие размеры галактической короны приобретали некоторое принципиальное значение (бывало и так), это учитывалось формально-математически. И все равно зрительно обе "короны" представлялись одинаково маленькими... Если бы автор в процессе этой работы предавался философским размышлениям о чудовищности размеров Галактики, о невообразимой разреженности газа, из которого состоит галактическая корона, о ничтожности нашей малютки-планеты и собственного бытия и о прочих других не менее правильных предметах, работа над проблемами солнечной и галактической корон прекратилась бы автоматически... Пусть простит мне читатель это "лирическое отступление". Я не сомневаюсь, что и у других астрономов возникали такие же мысли, когда они работали над своими проблемами. Мне кажется, что иногда полезно поближе познакомиться с "кухней" научной работы... Если мы хотим на страницах этой книги обсуждать волнующие вопросы о возможности разумной жизни во Вселенной, то, прежде всего, нужно будет составить правильное представление о ее пространственно-временных масштабах. Еще сравнительно недавно земной шар представлялся человеку огромным. Свыше трех лет потребовалось отважным сподвижникам Магеллана, чтобы 465 лет тому назад ценой неимоверных лишений совершить первое кругосветное путешествие. Немногим более 100 лет прошло с того времени, когда находчивый герой фантастического романа Жюля Верна совершил, пользуясь последними достижениями техники того времени, путешествие вокруг света за 80 суток. И прошло всего лишь 26 лет с тех памятных для всего человечества дней, когда первый советский космонавт Гагарин облетел на легендарном космическом корабле "Восток" земной шар за 89 мин. И мысли людей невольно обратились к огромным пространствам космоса, в которых затерялась небольшая планета Земля... Наша Земля - одна из планет Солнечной системы. По сравнению с другими планетами она расположена довольно близко к Солнцу, хотя и не является самой близкой. Среднее расстояние от Солнца до Плутона - самой далекой планеты Солнечной системы - в 40 раз больше среднего расстояния от Земли до Солнца. 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, они сравнительно невелики. Условно размеры Солнечной системы можно принять равными 50-100 астрономическим единицам * , или около 10 млрд км. По нашим земным масштабам это очень большая величина, примерно в 1 миллион превосходящая диаметр Земли.

Рис. 1. Планеты Солнечной системы

Мы можем более наглядно представить относительные масштабы Солнечной системы следующим образом. Пусть Солнце изображается биллиардным шаром диаметром 7 см. Тогда ближайшая к Солнцу планета - Меркурий находится от него в этом масштабе на расстоянии 280 см. Земля - на расстоянии 760 см, гигант - планета Юпитер удалена на расстояние около 40 м, а самая дальняя планета - во многих отношениях пока еще загадочный Плутон - на расстояние около 300м. Размеры земного шара в этом масштабе несколько больше 0,5 мм, лунный диаметр - немногим больше 0,1 мм, а орбита Луны имеет диаметр около 3 см. 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 сущими пустяками. Читатели, конечно, знают, что для измерения межзвездных расстояний такой единицей длины, как километр, никогда не пользуются **). Эта единица измерений (так же как сантиметр, дюйм и пр.) возникла из потребностей практической деятельности человечества на Земле. Она совершенно непригодна для оценки космических расстояний, слишком больших по сравнению с километром. В популярной литературе, а иногда и в научной, для оценки межзвездных и межгалактических расстояний как единицу измерения употребляют "световой год". Это такое расстояние, которое свет, двигаясь со скоростью 300 тыс. км/с, проходит за год. Легко убедиться, что световой год равен 9,46x10 12 км, или около 10000 млрд км. В научной литературе для измерения межзвездных и межгалактических расстояний обычно применяется особая единица, получившая название "парсек";

1 парсек (пк) равен 3,26 светового года. Парсек определяется как такое расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в 1 сек. дуги. Это очень маленький угол. Достаточно сказать, что под таким углом монета в одну копейку видна с расстояния в 3 км.

Рис. 2. Шаровое скопление 47 Тукана

Ни одна из звезд - ближайших соседок Солнечной системы - не находится к нам ближе, чем на 1 пк. Например, упомянутая Проксима Центавра удалена от нас на расстояние около 1,3 пк. В том масштабе, в котором мы изобразили Солнечную систему, это соответствует 2 тыс. км. Все это хорошо иллюстрирует большую изолированность нашей Солнечной системы от окружающих звездных систем, некоторые из этих систем, возможно, имеют с ней много сходства. Но окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют лишь ничтожно малую часть гигантского коллектива звезд и туманностей, который называется "Галактикой". Это скопление звезд мы видим в ясные безлунные ночи как пересекающую небо полосу Млечного Пути. Галактика имеет довольно сложную структуру. В первом, самом грубом приближении мы можем считать, что звезды и туманности, из которых она состоит, заполняют объем, имеющий форму сильно сжатого эллипсоида вращения. Часто в популярной литературе форму Галактики сравнивают с двояковыпуклой линзой. На самом деле все обстоит значительно сложнее, и нарисованная картина является слишком грубой. В действительности оказывается, что разные типы звезд совершенно по-разному концентрируются к центру Галактики и к ее "экваториальной плоскости". Например, газовые туманности, а также очень горячие массивные звезды сильно концентрируются к экваториальной плоскости Галактики (на небе этой плоскости соответствует большой круг, проходящий через центральные части Млечного Пути). Вместе с тем они не обнаруживают значительной концентрации к галактическому центру. С другой стороны, некоторые типы звезд и звездных скоплений (так называемые "шаровые скопления", рис. 2) почти никакой концентрации к экваториальной плоскости Галактики не обнаруживают, но зато характеризуются огромной концентрацией по направлению к ее центру. Между этими двумя крайними типами пространственного распределения (которое астрономы называют "плоское" и "сферическое") находятся все промежуточные случаи. Все же оказывается, что основная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске, диаметр которого около 100 тыс. световых лет, а толщина около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается несколько больше 150 млрд звезд самых различных типов. Наше Солнце - одна из этих звезд, находящаяся на периферии Галактики вблизи от ее экваториальной плоскости (точнее, "всего лишь" на расстоянии около 30 световых лет - величина достаточно малая по сравнению с толщиной звездного диска). Расстояние от Солнца до ядра Галактики (или ее центра) составляет около 30 тыс. световых лет. Звездная плотность в Галактике весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра, где, по последним данным, достигает 2 тыс. звезд на кубический парсек, что почти в 20 тыс. раз больше средней звездной плотности в окрестностях Солнца *** . Кроме того, звезды имеют тенденцию образовывать отдельные группы или скопления. Хорошим примером такого скопления являются Плеяды, которые видны на нашем зимнем небе (рис. 3). В Галактике имеются и структурные детали гораздо больших масштабов. Исследованиями последних лет доказано, что туманности, а также горячие массивные звезды распределены вдоль ветвей спирали. Особенно хорошо спиральная структура видна у других звездных систем - галактик (с маленькой буквы, в отличие от нашей звездной системы - Галактики). Одна из таких галактик изображена на рис. 4. Установить спиральную структуру Галактики, в которой мы сами находимся, оказалось в высшей степени трудно.

Рис. 3. Фотография звездного скопления Плеяд

Рис. 4. Спиральная галактика NGC 5364

Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего, они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной к ее экваториальной плоскости. Это вращение не такое, как у твердого тела: различные участки Галактики имеют различные периоды вращения. Так, Солнце и окружающие его в огромной области размерами в несколько сотен световых лет звезды совершают полный оборот за время около 200 млн лет. Так как Солнце вместе с семьей планет существует, по-видимому, около 5 млрд лет, то за время своей эволюции (от рождения из газовой туманности до нынешнего состояния) оно совершило примерно 25 оборотов вокруг оси вращения Галактики. Мы можем сказать, что возраст Солнца - всего лишь 25 "галактических лет", скажем прямо - возраст цветущий... Скорость движения Солнца и соседних с ним звезд по их почти круговым галактическим орбитам достигает 250 км/с **** . На это регулярное движение вокруг галактического ядра накладываются хаотические, беспорядочные движения звезд. Скорости таких движений значительно меньше - порядка 10-50 км/с, причем у объектов разных типов они различны. Меньше всего скорости у горячих массивных звезд (6-8 км/с), у звезд солнечного типа они около 20 км/с. Чем меньше эти скорости, тем более "плоским" является распределение данного типа звезд. В том масштабе, которым мы пользовались для наглядного представления Солнечной системы, размеры Галактики будут составлять 60 млн км - величина, уже довольно близкая к расстоянию от Земли до Солнца. Отсюда ясно, что по мере проникновения во все более удаленные области Вселенной этот масштаб уже не годится, так как теряет наглядность. Поэтому мы примем другой масштаб. Мысленно уменьшим земную орбиту до размеров самой внутренней орбиты атома водорода в классической модели Бора. Напомним, что радиус этой орбиты равен 0,53x10 -8 см. Тогда ближайшая звезда будет находиться на расстоянии приблизительно 0,014 мм, центр Галактики - на расстоянии около 10 см, а размеры нашей звездной системы будут около 35 см. Диаметр Солнца будет иметь микроскопические размеры: 0,0046 А (ангстрем-единица длины, равная 10 -8 см).

Мы уже подчеркивали, что звезды удалены друг от друга на огромные расстояния, и тем самым практически изолированы. В частности, это означает, что звезды почти никогда не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами в Галактике. Если мы будем рассматривать Галактику как некоторую область, наполненную газом, причем роль газовых молекул и атомов играют звезды, то мы должны считать этот газ крайне разреженным. В окрестностях Солнца среднее расстояние между звездами примерно в 10 млн раз больше, чем средний диаметр звезд. Между тем при нормальных условиях в обычном воздухе среднее расстояние между молекулами всего лишь в несколько десятков раз больше размеров последних. Чтобы достигнуть такой же степени относительного разрежения, плотность воздуха следовало бы уменьшить по крайней мере в 1018 раз! Заметим, однако, что в центральной области Галактики, где звездная плотность относительно высока, столкновения между звездами время от времени будут происходить. Здесь следует ожидать приблизительно одно столкновение каждый миллион лет, в то время как в "нормальных" областях Галактики за всю историю эволюции нашей звездной системы, насчитывающую, по крайней мере, 10 млрд лет, столкновений между звездами практически не было (см. гл. 9).

Мы кратко обрисовали масштаб и самую общую структуру той звездной системы, к которой принадлежит наше Солнце. При этом совершенно не рассматривались те методы, при помощи которых в течение многих лет несколько поколений астрономов шаг за шагом воссоздавали величественную картину строения Галактики. Этой важной проблеме посвящены другие книги, к которым мы отсылаем интересующихся читателей (например, Б.А.Воронцов-Вельяминов "Очерки о Вселенной", Ю.Н. Ефремов "В глубины Вселенной"). Наша задача - дать только самую общую картину строения и развития отдельных объектов Вселенной. Такая картина совершенно необходима для понимания этой книги.

Рис. 5. Туманность Андромеды со спутниками

Уже несколько десятилетий астрономы настойчиво, изучают другие звездные системы, в той или иной степени сходные с нашей. Эта область исследований получила название "внегалактической астрономии". Она сейчас играет едва ли не ведущую роль в астрономии. В течение последних трех десятилетий внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов. Понемногу стали вырисовываться грандиозные контуры Метагалактики, в состав которой наша звездная система входит как малая частица. Мы еще далеко не все знаем о Метагалактике. Огромная удаленность объектов создает совершенно специфические трудности, которые разрешаются путем применения самых мощных средств наблюдения в сочетании с глубокими теоретическими исследованиями. Все же общая структура Метагалактики в последние годы в основном стала ясной. Мы можем определить Метагалактику как совокупность звездных систем - галактик, движущихся в огромных пространствах наблюдаемой нами части Вселенной. Ближайшие к нашей звездной системе галактики - знаменитые Магеллановы Облака, хорошо видные на небе южного полушария как два больших пятна примерно такой же поверхностной яркости, как и Млечный Путь. Расстояние до Магеллановых Облаков "всего лишь" около 200 тыс. световых лет, что вполне сравнимо с общей протяженностью нашей Галактики. Другая "близкая" к нам галактика - это туманность в созвездии Андромеды. Она видна невооруженным глазом как слабое световое пятнышко 5-й звездной величины ***** . На самом деле это огромный звездный мир, по количеству звезд и полной массе раза в три превышающей нашу Галактику, которая в свою очередь является гигантом среди галактик. Расстояние до туманности Андромеды, или, как ее называют астрономы, М 31 (это означает, что в известном каталоге туманностей Мессье она занесена под № 31), около 1800 тыс. световых лет, что примерно в 20 раз превышает размеры Галактики. Туманность М 31 имеет явно выраженную спиральную структуру и по многим своим характеристикам весьма напоминает нашу Галактику. Рядом с ней находятся ее небольшие спутники эллипсоидальной формы (рис. 5). На рис. 6 приведены фотографии нескольких сравнительно близких к нам галактик. Обращает на себя внимание большое разнообразие их форм. Наряду со спиральными системами (такие галактики обозначаются символами Sа, Sb и Sс в зависимости от характера развития спиральной структуры; при наличии проходящей через ядро "перемычки" (рис. 6а) после буквы S ставится буква В) встречаются сфероидальные и эллипсоидальные, лишенные всяких следов спиральной структуры, а также "неправильные" галактики, хорошим примером которых могут служить Магеллановы Облака. В большие телескопы наблюдается огромное количество галактик. Если галактик ярче видимой 12-й величины насчитывается около 250, то ярче 16-й - уже около 50 тыс. Самые слабые объекты, которые на пределе может сфотографировать телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 5 м, имеют 24,5-ю величину. Оказывается, что среди миллиардов таких слабейших объектов большинство составляют галактики. Многие из них удалены от нас на расстояния, которые свет проходит за миллиарды лет. Это означает, что свет, вызвавший почернение пластинки, был излучен такой удаленной галактикой еще задолго до архейского периода геологической истории Земли!.

Рис. 6а. Галактика типа "пересеченной спирали"

Рис. 6б. Галактика NGC 4594

Рис. 6с. Галактики Магеллановы облака

Иногда среди галактик попадаются удивительные объекты, например "радиогалактики". Это такие звездные системы, которые излучают огромное количество энергии в радиодиапазоне. У некоторых радиогалактик поток радиоизлучения в несколько раз превышает поток оптического излучения, хотя в оптическом диапазоне их светимость очень велика ~ в несколько раз превосходит полную светимость нашей Галактики. Напомним, что последняя складывается из излучения сотен миллиардов звезд, многие из которых в свою очередь излучают значительно сильнее Солнца. Классический пример такой радиогалактики - знаменитый объект Лебедь А. В оптическом диапазоне это два ничтожных световых пятнышка 17-й звездной величины (рис. 7). На самом деле их светимость очень велика, примерно в 10 раз больше, чем у нашей Галактики. Слабой эта система кажется потому, что она удалена от нас на огромное расстояние - 600 млн световых лет. Однако поток радиоизлучения от Лебедя А на метровых волнах настолько велик, что превышает даже поток радиоизлучения от Солнца (в периоды, когда на Солнце нет пятен). Но ведь Солнце очень близко - расстояние до него "всего лишь" 8 световых минут; 600 млн лет - и 8 мин! А ведь потоки излучения, как известно, обратно пропорциональны квадратам расстояний! Спектры большинства галактик напоминают солнечный; в обоих случаях наблюдаются отдельные темные линии поглощения на довольно ярком фоне. В этом нет ничего неожиданного, так как излучение галактик - это излучение миллиардов входящих в их состав звезд, более или менее похожих на Солнце. Внимательное изучение спектров галактик много лет назад позволило сделать одно открытие фундаментальной важности. Дело в том, что по характеру смещения длины волны какой-либо спектральной линии по отношению к лабораторному стандарту можно определить скорость движения излучающего источника по лучу зрения. Иными словами, можно установить, с какой скоростью источник приближается или удаляется.

Рис. 7. Радиогалактика Лебедь А

Если источник света приближается, спектральные линии смещаются в сторону более коротких волн, если удаляется - в сторону более длинных. Это явление называется "эффектом Доплера". Оказалось, что у галактик (за исключением немногих, самых близких к нам) спектральные линии всегда смещены в длинноволновую часть спектра ("красное смещение" линий), причем величина этого смещения тем больше, чем более удалена от нас галактика. Это означает, что все галактики удаляются от нас, причем скорость "разлета" по мере удаления галактик растет. Она достигает огромных значений. Так, например, найденная по красному смещению скорость удаления радиогалактики Лебедь А близка к 17 тыс. км/с. Еще двадцать пять лет назад рекорд принадлежал очень слабой (в оптических лучах 20-й величины) радиогалактике ЗС 295. В 1960 г. был получен ее спектр. Оказалось, что известная ультрафиолетовая спектральная линия, принадлежащая ионизованному кислороду, смещена в оранжевую область спектра! Отсюда легко найти, что скорость удаления этой удивительной звездной системы составляет 138 тыс. км/с, или почти половину скорости света! Радио галактика ЗС 295 удалена от нас на расстояние, которое свет проходит за 5 млрд лет. Таким образом, астрономы исследовали свет, который был излучен тогда, когда образовывались Солнце и планеты, а может быть, даже "немного" раньше... С тех пор открыты еще более удаленные объекты (гл. 6). Причины расширения системы, состоящей из огромного количества галактик, мы здесь касаться не будем. Этот сложный вопрос является предметом современной космологии. Однако сам факт расширения Вселенной имеет большое значение для анализа развития жизни в ней (гл. 7). На общее расширение системы галактик накладываются беспорядочные скорости отдельных галактик, обычно равные нескольким сотням километров в секунду. Именно поэтому ближайшие к нам галактики не обнаруживают систематического красного смещения. Ведь скорости беспорядочных (так называемых "пекулярных") движений для этих галактик больше регулярной скорости красного смещения. Последняя растет по мере удаления галактик приблизительно на 50 км/с, на каждый миллион парсек. Поэтому для галактик, расстояния до которых не превосходят нескольких миллионов парсек, беспорядочные скорости превышают скорость удаления, обусловленную красном смещением. Среди близких галактик наблюдаются и такие, которые приближаются к нам (например, туманность Андромеды М 31). Галактики не распределены в метагалактическом пространстве равномерно, т.е. с постоянной плотностью. Они обнаруживают ярко выраженную тенденцию образовывать отдельные группы или скопления. В частности, группа из примерно 20 близких к нам галактик (включая нашу Галактику) образует так называемую "местную систему". В свою очередь местная система входит в большое скопление галактик, центр которого находится в той части неба, на которую проектируется созвездие Девы. Это скопление насчитывает несколько тысяч членов и принадлежит к числу самых больших. На рис. 8 приведена фотография известного скопления галактик в созвездии Северной Короны, насчитывающего сотни галактик. В пространстве между скоплениями плотность галактик в десятки раз меньше, чем внутри скоплений.

Рис. 8. Скопление галактик в созвездии Северной Короны

Обращает на себя внимание разница между скоплениями звезд, образующими галактики, и скоплениями галактик. В первом случае расстояния между членами скопления огромны по сравнению с размерами звезд, в то время как средние расстояния между галактиками в скоплениях галактик всего лишь в несколько раз больше, чем размеры галактик. С другой стороны, число галактик в скоплениях не идет ни в какое сравнение с числом звезд в галактиках. Если рассматривать совокупность галактик как некоторый газ, где роль молекул - играют отдельные галактики, то мы должны считать эту среду чрезвычайно вязкой.

Таблица 1

Большой Взрыв
Образование галактик (z~10)
Образование Солнечной системы
Образование Земли
Возникновение жизни на Земле
Образование древнейших скал на Земле
Появление бактерий и сине-зеленых водорослей
Возникновение фотосинтеза
Первые клетки с ядром

Воскресенье	Понедельник	Вторник	Среда	Четверг	Пятница	Суббота
	Возникновение кислородной атмосферы на Земле				Мощная вулканическая деятельность на Марсе
		Первые черви		Океанский планктон Трилобиты	Ордовик Первые рыбы	Силур Растения колонизируют сушу
Девон Первые насекомые Животные колонизируют сушу	Первые амфибии и крылатые насекомые	Карбон Первые деревья Первые рептилии	Пермь Первые динозавры	Начало мезозоя	Триас Первые млекопитающие	Юра Первые птицы
Мел Первые цветы	Третич-ный период Первые приматы	Первые гоминиды	Чет-вертичный период Первые люди (~22:30)

Как же выглядит Метагалактика в нашей модели, где земная орбита уменьшена до размеров первой орбиты атома Бора? В этом масштабе расстояние до туманности Андромеды будет несколько больше 6 м, расстояние до центральной части скопления галактик в Деве, куда входит и наша местная система галактик, будет порядка 120 м, причем такого же порядка будет размер самого скопления. Радиогалактика Лебедь А будет теперь удалена на расстояние - 2,5 км, а расстояние до радиогалактики ЗС 295 достигнет 25 км... Мы познакомились в самом общем виде с основными структурными особенностями и с масштабами Вселенной. Это как бы застывший кадр ее развития. Не всегда она была такой, какой мы теперь ее наблюдаем. Все во Вселенной меняется: появляются, развиваются и "умирают" звезды и туманности, развивается закономерным образом Галактика, меняются сама структура и масштабы Метагалактики (хотя бы по причине красного смещения). Поэтому нарисованную статическую картину Вселенной необходимо дополнить динамической картиной эволюции отдельных космических объектов, из которых она образована, и всей Вселенной как целого. Что касается эволюции отдельных звезд и туманностей, образующих галактики, то об этом речь будет в гл. 4 . Здесь мы только скажем, что звезды рождаются из межзвездной газопылевой среды, некоторое время (в зависимости от массы) спокойно излучают, после чего более или менее драматическим образом "умирают". Открытие в 1965 г. "реликтового" излучения (см. гл. 7) со всей наглядностью показало, что на самых ранних этапах эволюции Вселенная качественно отличалась от своего современного состояния. Главное - это то, что тогда не было ни звезд, ни галактик, ни тяжелых элементов. И, конечно, не было жизни. Мы наблюдаем грандиозный процесс эволюции Вселенной от простого к сложному. Такое же н а п р а в л е н и е эволюции имеет и развитие жизни на Земле. Во Вселенной скорость эволюции вначале была значительно выше, чем в современную эпоху. Похоже, однако, что в развитии жизни на Земле наблюдается обратная картина. Это наглядно видно из модели "космической хронологии", представленной в таблице 1, предложенной американским планетологом Саганом. Выше мы довольно подробно развили пространственную модель Вселенной, основывающуюся на выборе того или иного линейного масштаба. В сущности говоря, тот же метод используется в табл. 1. Все время существования Вселенной (которое для определенности принимается равным 15 миллиардам реальных "земных" годов, причем здесь возможна ошибка в несколько десятков процентов) моделируется некоторым воображаемым "космическим годом". Нетрудно убедиться, что одна секунда "космического" года равна 500 вполне реальным годам. При таком масштабе каждой эпохе развития Вселенной ставится в соответствие определенная дата (и время "суток") "космического" года. Легко видеть, что эта таблица в своей основной части сугубо "антропоцентрична": даты и моменты космического календаря после "сентября" и, особенно, всего специально выделенного "декабря", отражают определенные этапы развития жизни на Земле. Этот календарь совершенно иначе выглядел бы для обитателей какой-нибудь планеты, обращающейся вокруг "своей" звезды в какой-нибудь удаленной галактике. Тем не менее, само сопоставление темпа космической и земной эволюции в высшей степени впечатляюще.

• * Астрономическая единица - среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 149600 тыс. км.
• ** Пожалуй, только скорости звезд и планет в астрономии выражаются в единицах "километр в секунду".
• *** В самом центре галактического ядра в области поперечником в 1 пк находится, по-видимому, несколько миллионов звезд.
• **** Полезно запомнить простое правило: скорость в 1 пк за 1 млн лет почти равна скорости в 1 км/с. Предоставляем читателю убедиться в этом.
• ***** Поток излучения от звезд измеряется так называемыми "звездными величинами". По определению, поток от звезды (i+1)-й величины в 2,512 раза меньше, чем от звезды i-й величины. Звезды слабее 6-й величины невооруженным глазом не видны. Самые яркие звезды имеют отрицательную звездную величину (например, у Сириуса она равна -1,5).

> Структура Вселенной

Изучите схему структуры Вселенной : масштабы пространства, карта Вселенной, сверхскопления, скопления, группы галактик, галактики, звезды, Великая Стена Слоуна.

Мы живем в бесконечном пространстве, поэтому всегда интересно узнать, как выглядят структура и масштабы Вселенной. Глобальная вселенская структура представляет собою пустоты и волокна, которые можно разбить на , скопления, галактические группы, а уже в конце и сами . Если снова уменьшать масштабы, то рассмотрим и (Солнце – одна из них).

Если вы осознаете, как выглядит эта иерархия, то можете лучше понять, какую роль играет каждый названый элемент в структуре Вселенной. К примеру, если мы проникнем еще дальше, то заметим, что молекулы делятся на атомы, а те на электроны, протоны и нейтроны. Последние два также трансформируются в кварки.

Но это маленькие элементы. А что делать с гигантскими? Что собою представляют сверхскопления, пустоты и волокна? Будем двигаться от маленького к большому. Внизу можете посмотреть, как выглядит карта Вселенной в масштабе (здесь хорошо просматриваются нити, волокна и пустоты пространства).

Существуют одиночные галактики, но большинство предпочитают располагаться группами. Обычно это 50 галактик, занимающих в диаметре 6 миллионов световых лет. Группа Млечного Пути насчитывает более 40 галактик.

Скопления – это области с 50-1000 галактиками, достигающих размеров в 2-10 мегапарсек (диаметр). Интересно отметить, что их скорости невероятно велики, а значит, должны преодолевать гравитацию. Но они все же держатся вместе.

Обсуждения темной материи появляется на этапе рассмотрения именно галактических скоплений. Полагают, что она создает ту силу, которая не позволяет галактикам разойтись в разные стороны.

Иногда группы также объединяются, чтобы сформировать сверхскопление. Это одни из крупнейших структур Вселенной. Наибольший представитель – Великая Стена Слоуна, растянувшаяся на 500 миллионов световых лет в длину, 200 миллионов световых лет в ширину и 15 миллионов световых лет в толщину.

Современные приборы все еще недостаточно мощные, чтобы увеличивать изображения. Сейчас мы можем рассмотреть два компонента. Нитевидные структуры – состоят из изолированных галактик, групп, скоплений и сверхскоплений. А также пустоты – гигантские пустые пузыри. Посмотрите интересные видео, чтобы узнать больше информации о структуре Вселенной и свойствах ее элементов.

Иерархическое формирование галактик во Вселенной

Астрофизик Ольга Сильченко о свойствах темной материи, веществе в ранней Вселенной и реликтовом фоне:

Материя и антиматерия во Вселенной

изик Валерий Рубаков о ранней Вселенной, стабильности вещества и барионном заряде:

Основные элементы структуры Вселенной: галактики, звёзды, планеты

Галактики (от греч. Молочный, млечный) - системы из миллиардов звёзд, обращающихся вокруг центра галактики и связанных взаимным тяготением и общим происхождением,

Планеты – тела, не испускающие энергию, со сложной внутренней структурой.

Самым распространенным небесным телом в наблюдаемой Вселенной являются звезды.

По современным представлениям звезда – это газоплазменный объект, в котором происходит термоядерный синтез при температурах свыше 10 млн град. К.

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии.

Основные причины высокой светимости звезд

1. гравитационное сжатие , приводящее к выделению гравитационной энергии (характерно для молодых звезд)
2. термоядерные реакции , в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.

Наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Атомы элементов легче железа образуются в результате термоядерных реакций внутри звезд. Тяжелее железа при взрыве сверхновых звезд.

Эволюция звезд - это изменение физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд со временем .

Процесс формирования космических тел из разряженной газовой и газово-пылевой среды под действием гравитационных сил называется гравитационная конденсация

Протозвезда - плотный фрагмент молекулярного облака, в котором еще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций, т.е. превращения облака в звезду.

Конец эволюции звезды определяется ее массой.

Конечным этапом эволюции звезды средней и малой массы (меньше 3-4 масс Солнца) является белый карлик.

Эволюция звезд большей массы приводит к образованию нейтронных звезд или черных дыр.

В результате гравитационного коллапса происходит мощнейший взрыв звезды, сопровождающийся выделением колоссальной энергии в виде электромагнитного излучения и выбросом в окружающее пространство веществ, представляющих химические элементы всей таблицы Менделеева (первые наблюдения взрыва сверхновой были сделаны китайскими и японскими астрономами в 1054 году).

Звезды выступают как своеобразные кузницы атомов.

Согласно космологическим моделям, распространение химических элементов по Вселенной происходит в результате взрывов Сверхновых звезд.

Солнечная система – часть Вселенной.

Геоцентрическая система мира - существовавшее в древности (Аристотель и Птолемей) представление, согласно которому Земля неподвижно покоится в центре мира, а все небесные светила движутся вокруг неё.

В первой половине 16 в.- 17 учеными Н.Коперником, Г. Галилеем, Дж.Бруно была разработана гелиоцентрическая система мира - учение, согласно которому Земля, как и другие планеты, обращается вокруг Солнца и, кроме того, вращается вокруг своей оси.

Солнечная система - планетная система в составе Млечного пути, в которую входят: Солнце, восемь классических планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), несколько планет карликов (Плутон, Зена и пр.,) спутники планет, кометы, метеорные тела, космическая пыль.

Центральным телом Солнечной системы, в котором сосредоточена подавляющая часть всей её массы (около 99,9 %), является Солнце.

Согласно современным представлениям, Солнечная система сформировалась в результате сжатия газопылевого облака приблизительно 5 миллиардов лет назад.

Считается, что эволюция протопланетного диска происходила за 1 млн. лет. Шло слипание частичек в центральной части этого диска, которое в дальнейшем привело к образованию сгущений частиц, вначале небольших, потом – более крупных.

В 40-х годах 20 в. академик О.Ю.Шмидт выдвинул ставшую общепринятой гипотезу об образовании Земли и других планет из холодных твердых допланетных тел. Эти тела называются планетезимали.

Эта концепция подтверждается результатами компьютерного моделирования.

Однако существуют и другие модели.

Достаточно точные данные о возрасте Земли получают при анализе радиоактивных превращений элементов Земли и метеоритов

КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ НАУК О ЗЕМЛЕ.

Строение Земли.

Земля - третья планета Солнечной системы.

Земля представляет собой твердое тело, окруженное водной и газовой оболочками - гидросферой и атмосферой.

Земля не идеальный шар. Она сплюснута у полюсов и расширена к экватору. Форма Земли - сфероид или эллипсоид вращения. С большой точностью форму Земли удалось определить лишь в XX в. с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках.

Средний радиус Земли - 6370 км.

Площадь поверхности Земли 510 млн. кв.км. Около 71 % поверхности Земли занимает Мировой океан (361 млн. км 2), 29 % занимает Суша (149 млн. км 2)

Различают внутренние (земная кора, мантия, ядро ) и внешние (гидросфера, атмосфера )

оболочки Земли. Недра Земли так же недоступны для непосредственного изучения, как галактики. Материалы, слагающие твердую Землю непрозрачны и плотны. Прямые исследования их возможны лишь до глубин, составляющих ничтожную часть радиуса Земли (самая глубокая скважина около 12 км на Кольском полуострове).

Проблема строения Земли решается, в основном лишь косвенными методами.

Наиболее надежные сведения о внутренней структуре Земли нам дает сейсмография -регистрация сейсмических колебаний при землетрясениях.

Земная кора - внешняя твёрдая оболочка Земли.

Толщина ее неравномерна: на материках 30-40 км, под горами (Памир, Анды) - до 70 км, под океанами - 5-10 км.

Половина всей массы коры приходится на кислород (в связанном состоянии).

Геологические особенности земной коры определяются совместными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется.

Мантия (в переводе с греческого «покрывало, плащ)

Под земной корой, ближе к центру Земли располагается слой толщиной почти 2900 км, называемый мантией. Мантия - наиболее мощная оболочка Земли.

Ученые предполагают, что мантия состоит в основном из соединений кремния.

Мантия существует в виде двух шаровых слоев - нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии - 2000 км, верхней - 900 км.

Литосфера - образована земной корой вместе с самой верхней твердой частью мантии, (толщина около 100 км).

Астеносфера - нижняя часть верхней мантии находится в расплавленном состоянии. Литосфера как бы «плавает» в ней. В астеносфере находятся очаги вулканов. Происходящие в мантии процессы обусловливают тектоническое движение, образование магмы и вулканическую деятельность.

Земное ядро. Под мантией находится земное ядро с радиусом примерно 3500 км. Ядро состоит из внешней оболочки в жидком состоянии (толщиной 2200 км) и внутреннего твердого субъядра (1250 км).

С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма.

При переходе от мантии к ядру резко изменяются физические свойства вещества, по-видимому, в результате высокого давления. Ядро Земли – пока загадка для науки. С определенной достоверностью можно говорить лишь о его радиусе и температуре ~ 4000-5000 0 С.

Химический состав ядра - железо и никель.

Теория литосферных плит.

Влияние внутренних процессов на эволюцию геологических структур Земли в настоящее время объясняет теория литосферных плит.

Согласно этой теории вся литосфера разделена узкими активными зонами – глубинными разломами - на отдельные жесткие блоки, плавающие в пластичном слое верхней мантии (астеносфере).

Все изменения, происходящие на поверхности планеты, связаны с движением по ней этих плит. Самые крупные из плит – Антарктическая, Австралийская, Южноамериканская, Тихоокеанская, Североамериканская и Евразийская. Число и положение плит менялось от эпохи к эпохе. Плиты могут двигаться поступательно, разворачиваться, сталкиваться и расходиться. Рождение плит и их уход обратно в мантию происходит в океанах.

Вдоль границ литосферных плит расположены зоны повышенной тектонической активности (напр. Курило-Камчатская островная дуга).

Что является движущей силой «плавающих материков»? Как показывают данные термодинамических и сейсмических измерений, внутри мантии существуют вариации температуры и плотности, в результате чего происходит циркуляция вещества: горячий и менее плотный материал поднимается вверх, охлаждается и, с увеличением плотности, опускается в глубину. Достаточно малого перепада температур, чтобы пластичная мантия пришла в медленное движение и заставила перемещаться блоки литосферы.

Почти все эти движения плит сейчас подтверждены непосредственными измерениями, с использованием методов высокоточной астрономической и спутниковой геодезии. Сейчас измерены их скорости, которые составляют от нескольких мм до 10-18 см в год.

Теория тектонических литосферных плит существенно изменила мировоззрение и представления об эволюции нашей планеты. Она имеет также и практические аспекты. Мы стали лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением. Если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность приближения сейсмического толчка или серии таких толчков. Теория литосферных плит сделала более понятным распределение полезных ископаемых.

В целом размеры Земли являются постоянными, благодаря действующим на Земле геофизическим полям (гравитационному, магнитному, электрическому и тепловому.)

Гидросфера

Под гидросферой понимают совокупность всех вод Земли, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Это - Мировой океан, пресные воды рек и озер, ледниковые и подземные воды.

Функции гидросферы Земли:

• регулирует температуру планеты,
• обеспечивает кругооборот веществ,
• является составной частью биосферы.

Атмосфера - газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся с ней как единое целое.

По химическому составу атмосфера Земли представляет собой смесь газов, состоящую преимущественно из азота (78 % об.) и кислорода (21% об.).

В атмосфере Земли выделяют слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера - это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина - 10 (в полярных широтах) -18 км (в тропиках). С высотой падает давление и температура, опускаясь до - 55°С.

В тропосфере заключено свыше 80 % массы атмосферы и практически весь водяной пар.

Стратосфера - до 50 -55 км в высоту.

Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры. В стратосфере находится озоновый слой, поглощающий жесткое ультрафиолетовое излучение.

Стратосфера характеризуется исключительной сухостью воздуха. Процессы в стратосфере практически не влияют на погоду.

Мезосфера - слой, лежащий над стратосферой на высотах 55-85 км.

Термосфера (ионосфера) находится над мезосферой на высотах примерно 85-800 км от поверхности Земли. В ней происходят основные процессы поглощения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

Ионосфера состоит преимущественно из ионизированных частиц (плазмы), обладающих способностью отражать короткие радиоволны. В термосфере тормозятся и сгорают метеориты. Таким образом, термосфера выполняет функцию защитного слоя Земли, а также позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь.

Экзосфе́ра - самая внешняя часть верхней атмосферы Земли с низкой концентрацией нейтральных атомов.

ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей - химию.

Химия - наука о составе, внутреннем строении и превращении веществ, а также о механизмах этих превращений.

Явления, которые сопровождаются превращением одних веществ в другие, называются химическими.

Главной практической задачей химии является получение веществ с заданными свойствами (прикладная наука).

Фундаментальная наука ищет способы управления свойствами вещества, создавая теоретические основы химического знания.

В развитии химии выделяют четыре основных этапа:

1. Учение о составе вещества (с XVII века).
2. Структурная химия (с XIX века).
3. Учение о химических процессах (с середины XX века).
4. Эволюционная химия (с 70 г.г. XX века).

При этом каждый новый этап возникал на основе предыдущего и включал его в себя в преобразованном виде

Роберт Бойль в 1660 дал определение химического элемента: химический элемент – это простое тело, предел химического разложения вещества, переходящее без изменения из состава одного сложного тела в состав другого.

К середине 19 в. ученые владели знаниями уже о 63 химических элементах. Сравнительный анализ показал, что многие элементы обладают похожими физическими и химическими свойствами и их можно объединять в группы, создавая тем самым классификацию химических элементов.

Д.И. Менделеев в 1869 году открыл периодический закон химических элементов. Это один из фундаментальных законов естествознания.

Менделеев считал, что основой классификации химических элементов являются их атомные веса. Периодический закон в его интерпретации был сформулирован следующим образом: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов ».

Физический смысл периодического закона Д.И. Менделеева был вскрыт при создании современной теории строения атома и состоит в периодическом изменении свойств химических элементов в зависимости от заряда ядра .
Атом - наименьшая структурная единица элемента, сохраняющая его химические свойства.

Диаметр атома равен нескольким ангстремам (А =10 -8 см или 10 -10 м)

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки .

Ядро атома состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов .

Химический элемент - вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В химических превращениях атом сохраняет заряд ядра, а, следовательно, свою индивидуальность. Атомы новых элементов в химических реакциях образовываться не могут.

Для соблюдения правила электронейтральности атомов необходимо, чтобы количество нейтронов и протонов в атоме были одинаковыми. А вот количество нейтронов в ядре атома может изменяться.

Изотопы – атомы одного и того же элемента, имеющие в ядре разное количество нейтронов и соответственно разную массу.

При изучении изотопов установлено, что они не различаются по химическим свойствам, которые, как известно, определяются зарядом ядер и не зависят от массы ядра.

Примеры изотопов : изотопы урана - 235 U и 238 U (радиоактивный - превращается в стабильный изотоп свинца 206 Pb.)

изотопы водорода - 1 H – протий (ядро состоит из одного протона)

2 D- дейтерий, (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона)

3 T - тритий, (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Хлор-35 и хлор-37 являются изотопами хлора

Многообразие объектов, изучаемых в рамках химии, вовсе не исчерпывается только изотопами и атомами. Химические элементы объединяются в более сложные системы, называемые химическими соединениями.

Химическое соединение - это вещество, состоящее из атомов одного или нескольких элементов, которые объединены в частицы - молекулы, комплексы, кристаллы или иные агрегаты.
Химическая связь – связь между атомами в молекуле или молекулярном соединении, возникающая в результате либо переноса электрона с одного атома на другой (ионная ), либо обобществления электронов парой (или группой) атомов (ковалентная ).

Развитие знания о химических явлениях позволило установить, что большое влияние на свойства вещества оказывает не только его химический состав, но и структура молекул.

В 1861 г. выдающийся российский химик А.М. Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения органических соединений . Практическое значение этой теории состояло в том, что она дала начало развитию органического синтеза . Появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Для получения новых материалов знаний о составе и структуре соединений было явно недостаточно. Необходимо было учитывать и условия протекания химических реакций, что вывело химию на качественно новый уровень ее развития.

Наука об условиях, механизмах и скоростях протекания химических реакций называется химическая кинетика .

В 60-70-е гг. XX в. появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания. Это наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. В ее основе представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов.

Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Начало эволюционной химии было положено при разработке теории биохимической эволюции, объясняющей происхождение жизни на земле в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Эволюционную химию заслуженно считают предбиологией.

В результате биохимической эволюции из минимума химических элементов и химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс - биосистема.

Основу живых систем составляют шесть элементов - органогенов : (С, Н, О, N, Р, S), углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Общая весовая доля этих элементов в организмах составляет около 97,4%.

За ними следуют еще 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%.

Новая эволюционная химия - подражание живой природе. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

В настоящее время наиболее динамично развивающейся наукой является биология - наука о жизни и живой природе.

В структуре биологического знания сегодня насчитывается более 50 частных наук, что объясняется, главным образом, сложностью основного объекта биологических исследований - живой материи.

Основные задачи биологии - дать научное определение жизни, указать на принципиальное отличие живого от неживого, выяснить специфику биологической формы существования материи.

Жизнь очень сложна, многообразна, многокомпонентна и многофункциональна. На сегодняшний день наука не имеет достаточно точного определения жизни.

Жизнь представляет собой высшую форму существования и движения материи с двумя характерными признаками: самовоспроизведением и регулируемым обменом веществ с окружающей средой.

Фундаментальные отличия живого от неживого:

В вещественном плане : в состав живого обязательно входят биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

В структурном плане: живое отличается от неживого клеточным строением.

В функциональном плане: для живых тел характерно воспроизводство самих себя на основе генетического кода.

К важнейшим свойствам живых систем, отличающих их от неживой (косной) природы относятся:

• обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой (открытые системы);
• самовоспроизведение (размножение);
• сложное строение и системная организация;
• активная регуляция своего состава и функций (гомеостаз);
• поддержание собственной упорядоченности за счет энергии внешней среды;
• подвижность;
• раздражимость;
• приспособляемость;
• способность к росту и развитию;
• молекулярная хиральность (зеркальная асимметрия).

Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Вирусы - переходная форма от неживого к живому. Это мельчайшие бесклеточные организмы, на 2 порядка мельче, чем бактерии. Вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но нет ферментов, необходимых для обмена веществ. Поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма-хозяина.

Клетка обладает всеми основными свойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножением и ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной и функциональной единицей живого.

Клеточное строение всех организмов живой природы, сходство строения клеток и их химического состава служит доказательством единства органического мира.

Многообразие живых организмов можно расположить по уровням их сложности и специфики функционирования.

Классическими уровнями современной биологии являются:

• Молекулярно- генетический (на котором решаются проблемы генетики, генной инженерии и биотехнологий).
• Клеточный (отражающий особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей).
• Онтогенетический (организменный) (все об отдельных особях: строение; физиология, поведение).
• Популяционно-видовой (образуемый свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида).
• Биосферный (биогеоценотический) (рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экологию планеты).

Каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы.

Человека всегда интересовало, как на Земле возникла жизнь и все существующее разнообразие животного и растительного мира.

Поэтому в биологии, как ни в какой другой науке, важнейшую роль играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала

Как и всякая естественная наука, биология начала развиваться как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях живого мира.

Систематика - биологическая наука о разнообразии всех существующих и вымерших организмов, о взаимоотношениях и родственных связях между их различными группами (таксонами).

Основы систематики были заложены в конце 17- первой половине 18 века в трудах Дж. Рея (1693) и К.Линнея (1735).
Эволюция в биологии представляет развитие сложных организмов из предшествующих более простых. Эволюция - исторические изменения наследственных признаков организмов, необратимое историческое развитие живой природы.

Победа эволюционной идеи в 19 в. покончила в науке с верой в божественное сотворение живых существ и человека.

Первые эволюционные теории были созданы двумя великими учеными 19 века – Ж.. Б. Ламарком и Ч. Дарвином.

Подлинная революция в биологии связана с появлением в 1859 г . теории эволюции Ч. Дарвина, изложенной им в книге «Происхождение видов путем естественного отбора ».

Эволюционная теория Дарвина построена на трех постулатах: изменчивости, наследственности и естественном отборе.

Именно изменчивость является первым и главным звеном эволюции.

Изменчивость - это способность организмов приобретать новые свойства и признаки.

Дарвин выделил две формы изменчивости:

– определенную (адаптивная модификация ). Это способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву); не передается по наследству

– неопределенную (мутация) . Ее характер опосредованно связан с изменениями внешних условий, передается по наследству.

Наследственность - это свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом.

Естественный отбор - является результатом борьбы за существование и означает выживание и успешное размножение наиболее приспособленных организмов.

Сущность эволюционного процесса состоит в непрерывном приспособлении живых организмов к разнообразным условиям окружающей среды и в появлении все более сложно устроенных организмов.

Возникновение генетики.

Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, представляет собой участок молекулы ДНК.

Хромосомы – это структурные элементы ядра клетки, которые состоят из молекулы ДНК и белков, содержат набор генов с заключенной в них наследственной информацией.

В 1944 году американскими биохимиками (О. Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

С этого времени началось быстрое развитие молекулярной биологии

Молекулярная биология - наука, исследующая основные проявления жизни на молекулярном уровне.

Молекулярная биология исследует, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных молекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот).

В 1953 году была расшифрована структура ДНК (Ф. Крик, Д. Уотсон).

Рис. Двойная спираль ДНК

Биологическая роль ДНК заключается в хранении и воспроизведении генетической информации, а РНК (рибонуклеиновая кислота) в ее реализации.

ДНК и РНК снабжают новый организм информацией о том, как он должен быть устроен и как ему функционировать.

Свойство удвоения (репликации) ДНК обеспечивает явление наследственности.

Генетический код – это свойственная живым организмам единая система «записи» наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов. Единицей генетического кода является триплет нуклеотидов.

Универсальность генетического кода - у всех организмов на Земле одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют одни и те же аминокислоты

Геном - совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данной животной или растительной клетки.

Генотип - совокупность всех генов, которые содержатся в молекулах ДНК данного организма. Он представляет собой систему, контролирующую развитие, строение и жизнедеятельность организма.

Фенотип - совокупность всех признаков организма. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и окружающей среды.

Генофонд - совокупность генов данной популяции, группы особей или вида.

Число генов в организме человека составляет 20000-25000, а весь геном - это более 3 млрд. нуклеотидных пар (по результатам проекта «Геном человека»).

Мутации - это изменения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Мутации – это чрезвычайно редкое явление неточной передачи генетической информации, когда хромосомы новой клетки или гены оказываются не вполне подобными старым.

Современная (синтетическая) теория эволюции представляет собой синтез генетики и дарвинизма. Она появилась к концу 20-х гг. XX в и рассматривает популяцию как элементарную структуру эволюции.

Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием таких эволюционных факторов, как мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор.

Онтогенез – совокупность преобразований, происходящих в организме от зарождения до конца жизни, т. е. индивидуальное развитие организма.

Таким образом, в синтетической теории эволюции на первый план выступает не онтогенез, а развитие популяций.

Биоценоз - совокупность совместно обитающих популяций разных видов живых организмов.

Автотрофы - организмы, способные самостоятельно синтезировать органическое вещество из неорганических соединений.

Гетеротрофы - организмы, использующие для питания органические вещества, произведенные другими организмами.

Автотрофные растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для гетеротрофов. Складывается биогеоценотический комплекс, который может существовать веками.

Биосфера - пространство, включающее околоземную атмосферу и наружную оболочку Земли, освоенное живыми организмами и находящееся под влиянием их жизнедеятельности. Живая природа и среда ее обитания.

Концепции происхождения жизни

Возникновение жизни на Земле и её биосферы одна из основных проблем современного естествознания.

Основные концепции происхождения жизни на земле:
1) креационизм (лат. creation "сотворение") жизнь была создана Творцом в определенное время;

2) концепция стационарного состояния (жизнь существовала всегда);

3) панспермия (жизнь была занесена на Землю из Космоса);

4) абиогенез - самопроизвольное зарождение. Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни.

5) биогенез - все живое происходит только от живого. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.

6) биохимической эволюции (преобладающая в наше время модель). Жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, является то, что согласно теории эволюции жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

• высокая температура, порядка 400 °С;
• атмосфера, состоящая из водяных паров, СО 2 , СН 4 , NH 3 ;
• присутствие сернистых соединений (вулканическая активность);
• высокая электрическая активность атмосферы;
• ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Большинство ученых придерживается мнения, что на Земле химическая эволюция привела к спонтанному зарождению жизни в интервале времени между 4,5 и 3,8 млрд лет назад. Последнюю гипотезу в 20-е годы XX века высказали русский ученый А.И. Опарин и англичанин Дж. Холдейн. Она и легла в основу современных представлений о возникновении жизни на Земле.

Гипотеза академика А. И. Опарина о возникновении жизни на Земле (1924 г.) опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам.

В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов:

Химическая эволюция:

• абиогенный синтез низкомолекулярных органических соединений из неорганических
• синтез биополимеров, близких к нуклеиновым кислотам и белкам;
• образование коацерватов (фазово-обособленных систем органических соединений, отделенных от внешней среды мембранами), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Поглощение коацерватами металлов привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы;
• образование пробионтов (предшественников жизни). Выработка в ходе эволюции у коацерватов процессов саморегуляции, самовоспроизведения и способности осуществлять важнейшие жизненные функции - расти и подвергаться естественному отбору.

Биологическая эволюция

• Возникновение прокариотных организмов из пробионтов
• совершенствование строения и функций клетки (эукариоты, многоклеточные организмы и т.д.)

Наиболее трудная часть проблемы возникновения жизни – переход от биополимеров к первым живым существам. В результате взаимодействия нуклеиновых кислот и белков, возникновения мембран с избирательной проницаемостью, образуются пробионты, способные к самовоспроизведению. В эволюционном отношении пробионты были предшественниками прокариот (безъядерных одноклеточных организмов).

Собственно биологическая эволюция начинается с образования клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.

Развитие жизни на земле

Катархей - геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни (4,6 -3,5 млрд лет назад).

Архей – самая древняя геологическая эра, выделяемая в геохронологии Земли (3,5–2,6 млрд. лет назад).

Ко времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий и сине-зеленых водорослей) – организмов, которые в отличие от эукариот не обладают оформленным клеточным ядром и типичным хромосомным аппаратом (наследственная информация реализуется и передается через ДНК).

Первый период развития органического мира на Земле (архей) характеризуется тем, что первичные живые организмы были анаэробными (жили без кислорода) и гетеротрофными, т.е. питались и воспроизводились за счет "органического бульона", возникшего из неорганических систем.

Переход к фотосинтезу и автотрофному питанию был великим революционным переворотом в эволюции живого (около 3 млрд. лет назад).

Он завершился примерно 1,8 млрд. лет назад (протерозой ) и привел к важным преобразованиям на Земле. Образуется почва. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, водорода, начинается накопление углекислого газа и кислорода. Первичная атмосфера Земли сменилась вторичной, кислородной; возник озоновый слой, который сократил воздействие ультрафиолетовых лучей, а значит и прекратил производство нового "органического бульона"; изменился состав морской воды, он стал менее кислотным. Таким образом, современные условия на Земле в значительной мере были созданы жизнедеятельностью организмов.

Протерозой - огромный по продолжительности этап исторического развития Земли (2,6 млрд. – 570 млн. лет назад).

В древнейшей протерозойской эре истории Земли реализуется начальный этап возникновения биосферы. Достоверных сведений о биосфере этой эры практически нет. Представляется, что в те времена могли существовать лишь самые примитивные формы жизни.

Протерозой (с греч. «первичная жизнь») – геологическая эра, в которой на смену одноклеточным и колониальным формам пришли многоклеточные. Конец протерозоя иногда называют «веком медуз» – очень распространенных в это время представителей кишечнополостных.

Палеозой (от греч. «древняя жизнь») – геологическая эра (570–230 млн. лет). В палеозое произошло завоевание суши многоклеточными растениями и животными.

Мезозой (с греч. «средняя жизнь») – это геологическая эра (230 – 67 млн. лет)

Мезозойская эра характеризуется появлением многочисленных видов крупных и гигантских животных, особенно рептилий и пресмыкающихся.

Мезозой справедливо называют эрой пресмыкающихся.

Геологическая эра, в которую мы живем, называется кайнозой.

Кайнозой (от греч. «новая жизнь») – это эра (67 млн. лет – наше время) расцвета цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих.

Происхождение человека

Homo Sapiens – человек разумный относится к отряду приматов, подотряду человекообразных обезьян, семейству – людей.

Первые приматы появились около 70 млн. лет назад, первые человекообразные обезьяны – 34 млн. лет назад.

Сравнение ДНК человека и животных позволяет установить степень родства их организмов. Оказалось, что ДНК гориллы и шимпанзе отличается от человеческого меньше, чем на 3%, тогда как отличия от низших обезьян превышают 10%.

В настоящее время большинство специалистов считает, что ближайшим предшественником человека являются австралопитеки – прямоходящие млекопитающие. Костные остатки австралопитеков, возраст которых составляет от 5 до 2,5 млн. лет, впервые были обнаружены в 1924 г. в Южной Африке. Австралопитеки изготавливали каменные орудия труда, возможно, даже пользовались огнем, но ни речи, ни социальной структуры у них не было – это тупиковая ветвь эволюции.

В Африке найдены останки «человека умелого » - зинджантропа, жившего 2 млн лет назад. Он обладал уже такими человеческими признаками, как прямохождение и заметная развитость кисти руки. При этом название «умелый» ему дано за умение изготовить и применить первобытные каменные орудия труда. Далее развитие современного человека прослеживается более определенно: питекантроп (1,9-0,65 млн лет назад); синантроп (400 тыс. лет назад), неандерталец , появившийся по разным данным от 200 до 150 тыс. лет назад, и, наконец, кроманьонец , наш непосредственный предок, возникший от 200 до 40 тысяч лет назад.

Таким образом, последовательность наших предков:

человек умелый (Номо habilis»)

человек прямоходящий (Номо erectus)

• питекантроп
• синантроп

человек разумный (Номо sapiens)

• неандерталец (тупиковая ветвь),
• кроманьонец,

Необходимо отметить, что антропогенез не следует представлять в виде линейного процесса. Следует иметь в виду, что эволюция осуществляется в процессе постоянного возникновения новых ответвлений (бифуркаций), большая часть которых очень быстро исчезает. В каждый период времени существует множество параллельных эволюционных линий, происходящих от общего предка.

ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЕ (ИНТЕГРАЛЬНОЕ) ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ.

В конце 20- начале 21 века естествознание вступило в новую историческую фазу своего развития - на уровень постнеклассической науки (интегральное естествознание).

В основе современной науки лежит эволюционно- синергетическая концепция: основным механизмом происхождения и развития Вселенной является универсальный эволюционизм и самоорганизация.

Современная естественнонаучная картина мира является эволюционной.

Понятие и принципы синергетики.

Классическое и неклассическое естествознание объединяет одна общая черта: предмет познания у них - это простые, закрытые, изолированные, обратимые во времени) системы.

Различают простые и сложные системы.

Простые системы состоят из небольшого числа независимых переменных, взаимоотношения между которыми описываются линейными уравнениями, поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам.

Сложные системы состоят из большого числа независимых переменных и большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследование объекта, выведение закономерностей его функционирования. Сложные системы описываются нелинейными уравнениями, которые могут иметь несколько решений. Кроме того, чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств , т. е. свойств, которых нет у ее частей, и которые являются следствием эффекта целостности системы.

По типу взаимодействия с окружающей средой все системы делятся на:

• открытые
• закрытые.

Открытые системы - это системы реального мира, которые обмениваются веществом, энергией или информацией с окружающей средой. К ним относятся напр. биологические и социальные системы.

Закрытые системы не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией. Понятие «Закрытой системы» является абстракцией высокого уровня. В действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем.

Однако, именно по отношению к закрытым системам и были сформулированы два начала (закона) термодинамики:

1. В закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы (закон сохранения энергии).
2. Процессы, протекающие в замкнутых системах, развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния.

Иначе говоря, согласно второму началу термодинамики запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная неизбежно приближается к «тепловой смерти».

Вместе с тем, уже во второй половине ХIХ века, и особенно в ХХ веке, биология (и прежде всего теория эволюции Дарвина) убедительно показала, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи.

Скорее, наоборот: история и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении - от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному.

В 70 г. 20 века появилась новая наука «Синергетика », пытающаяся ответить на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно.

Синергетик а – наука, изучающая общие принципы, лежащие в основе всех явлений самоорганизации в сложных системах (в физике, химии, биологии, в технике и теории вычислительных машин, в социологии и экономике).

Главная идея синергетики - это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Основные положения теории синергетики разработаны в трудах Г. Хакена, Г. Николиса, И. Пригожина.

Основные понятия синергетики

Самоорганизация - процесс упорядочивания системы, происходящий в силу внутренних факторов самой системы.

Флуктуации - случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, от ее закономерного состояния.

Бифуркация - приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении ее параметров.

Точки бифуркации – переломные моменты самоорганизации, критические точки выбора пути развития системы.

В настоящее время концепция самоорганизации получает все большее распространение не только в естествознании, но и в социально гуманитарных разделах наук. Большинство наук изучает процессы эволюции систем и они вынуждены анализировать механизмы их самоорганизации.

К саморазвивающимся и саморегулирующимся системам относятся, напр.:

• в технике - автоматические системы и регуляторы.
• в экономике - механизм рынка свободной конкуренции.
• в физиологии -механизмы гомеостаза, которые регулируют жизненно важные функции организма: температуру тела, частоту дыхания, кровяное давление и др.

Вся система живых организмов основана на синергетике, т.е. из исходной системы хаоса в процессе эволюции была основана организованная система жизни.

Синергетика присутствует также и в неживых системах. По этой теории космические тела были образованы из физического вакуума в результате флуктуации – временного отклонения от среднего. Таким образом, из хаоса была создана организованная система Вселенной

В раскрытии механизмов самоорганизации помимо неравновесной термодинамики были использованы также новые идеи и результаты, появившиеся в разных областях физики и химии – в гидродинамике, физике лазеров, при исследовании автокаталитических реакций и некоторых других явлений.

Процесс самоорганизации становится возможным при наличии ряда условий: система должна быть открытой, неравновесной, нелинейной, состоять из большого числа элементов.

Самоорганизация систем протекает следующим образом:

• период плавного эволюционного развития, накопления флуктуаций, точка бифуркации (критическое состояние);
• выход из критического состояния одномоментно скачком за счет быстрой перестройки системы и переход в новое устойчивое состояние (диссипативную структуру) с большей степенью сложности и упорядоченности.
• по завершении процесса самоорганизации система снова переходит в эволюционное состояние.

Принцип глобального эволюционизма - признание невозможности существования всех рождаемых во вселенной структур вне развития, вне общей эволюции.

Это выявление общих законов природы, связывающих в единое целое происхождение Вселенной (космогенез), возникновение Солнечной системы и нашей планеты Земля (геогенез), возникновение жизни (биогенез) и, наконец, возникновение человека и общества (антропосоциогенез).

С точки зрения глобального эволюционизма, вся познанная история Вселенной как самоорганизующейся системы – от Большого взрыва до возникновения человечества – представляется в виде единого процесса с генетической и структурной преемственностью 4-х типов эволюции – космической, химической, биологической и социальной.

В глобальном эволюционизме отображается универсальная связь между неживой, живой и социальной материей, фундаментальное единство материального мира.

Глобальный эволюционизм подтверждается моделью Большого взрыва и неравновесной термодинамикой в физике, гипотезами предбиологической эволюции в химии, теорией литосферных плит в геологии, эволюционной генетикой и биологией, а также другими теоретическими построениями. По существу это одна из форм реализации диалектического принципа развития.

Современные представления о глобальном эволюционизме и синергетике (эволюционно-синергетическая парадигма) позволяют описать развитие природы как последовательную смену рождающихся из хаоса структур, временно обретающих стабильность, а затем вновь стремящихся к хаотическим состояниям.

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

2 слайд

Описание слайда:

Астрономия – это наука о небесных телах (от древнегреческих слов астон – звезда и номос – закон) Она изучает видимые и действительные движения и законы, определяющие эти движения, форму, размер, массу и рельеф Поверхности, природу и физическое состояние небесных тел, взаимодействие и их эволюцию.

3 слайд

Описание слайда:

Изучение вселенной Число звезд в галактике исчисляется в триллионах. Самые многочисленные звезды – это карлики с массами примерно в 10 раз меньше Солнца. Кроме одиночных звезд и их спутников (планет), в состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанные силой тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, называемое звездными скоплениями. Некоторые из них можно отыскать на небе в телескоп, а иногда и не вооруженным глазом. Такие скопления не имеют правильной формы; их в настоящее время известно более тысячи. Звездные скопления делятся на рассеянные и шаровые. В отличие от рассеивающих звездных скоплений, состоящих в основном из звезд, которые принадлежат главной последовательности, шаровые скопления содержат красные и желтые гиганты и сверхгиганты. Обзоры неба, выполненные рентгентовскими телескопами, установленными на специальных искусственных спутниках Земли, привели к открытию рентгентовского излучения многих шаровых скоплений.

4 слайд

Описание слайда:

Строение галактики Подавляющая часть звезд и диффузной материи Галактики занимает линзообразный объем. Солнце находится на расстоянии около 10.000 Пк от центра Галактики, скрытого от нас облаками межзвездной пыли. В центре Галактики расположено ядро, которое в последнее время тщательно исследуется в инфракрасном, радио- и рентгеновском диапазонах волн. Непрозрачные облака пыли застилают от нас ядро, препятствуя визуальным и обычным фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. Если бы мы могли взглянуть на галактический диск «сверху», то обнаружили бы огромные спиральные ветви, в основном содержащие наиболее горячие и яркие звезды, а также массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме. Это и есть упрощенная форма строения Галактики.

5 слайд

Описание слайда:

Типы галактик 1 Спиральные. Это 30% галактик. Они бывают двух видов. Нормальные и пересеченные. 2 Эллиптические. Считается, что большинство галактик имеет форму сплющенной сферы. Среди них есть шаровые и почти плоские. Самая большая из известных эллиптических- галактика М87 в созвездии Девы. 3 Не правильные. Многие галактики имеют клочковатую форму без ярко выраженного контура. К ним относится Магеланово Облако Нашей Местной группы.

6 слайд

Описание слайда:

Солнце Солнце - это центр нашей планетной системы, основной ее элемент, без которого не было бы ни Земли, ни жизни на ней. Наблюдением за звездой люди занимаются с древних времен. С тех пор наши знания о светиле значительно расширились, обогатились многочисленными сведениями о движении, внутренней структуре и природе этого космического объекта. Более того, изучение Солнца вносит огромный вклад в понимание устройства Вселенной в целом, особенно тех ее элементов, которые аналогичны по своей сути и принципам «работы».

7 слайд

Описание слайда:

Солнце Солнце - это объект, существующий, по человеческим меркам, очень давно. Его формирование началось примерно 5 миллиардов лет назад. Тогда на месте Солнечной системы находилось обширное молекулярное облако. Под воздействием сил гравитации в нем начали возникать завихрения, подобные земным смерчам. В центре одного из них вещество (в основном это был водород) начало уплотняться, и 4,5 млрд лет назад тут появилась молодая звезда, которая спустя еще продолжительный период времени получила имя Солнце. Вокруг него постепенно стали формироваться планеты - наш уголок Вселенной начал приобретать привычный для современного человека вид. -

8 слайд

Описание слайда:

Жёлтый карлик Солнце - это не уникальный объект. Его относят к классу желтых карликов, сравнительно небольших звезд главной последовательности. Срок «службы», отпущенный таким телам, составляет примерно 10 миллиардов лет. По меркам космоса, это совсем немного. Сейчас наше светило, можно сказать, в самом расцвете сил: еще не старое, уже не молодое - впереди еще полжизни.

9 слайд

Описание слайда:

10 слайд

Описание слайда:

Световой год Световой год – это то расстояние, которое проходит свет за один год. Международный астрономический союз дал свое объяснение световому году – это то расстояние, которое проходит свет в вакууме, без участия гравитации, за юлианский год. Юлианский год равен 365 суткам. Именно эта расшифровка используется в научной литературе. Если брать профессиональную литературу, то тут расстояние рассчитывается в парсеках или кило- и мегапарсеках. До 1984 года световым годом считалось расстояние, которое проходит свет за один тропический год. Новое определение отличается от старого всего лишь на 0,002%. Особого различия между определениями нет. Имеются конкретные цифры, которые определили расстояние световых часов, минут, дней и т.д. Световой год равен 9 460 800 000 000 км, месяц - 788 333 млн. км., неделя - 197 083 млн. км., сутки - 26 277 млн. км, час - 1 094 млн. км., минута - около 18 млн. км., секунда - около 300 тыс. км.

11 слайд

Описание слайда:

Галактика Созвездие Девы Лучше всего Деву можно рассмотреть в начале весны, а именно в марте - апреле, когда оно переходит в южную часть горизонта. Благодаря тому, что созвездие имеет внушительные размеры, Солнце в нем находится больше месяца – начиная с 16 сентября и вплоть до 30 октября. На старинных звездных атласах Деву представляли, как девушку с колоском пшеницы в правой руке. Однако не каждый способен разглядеть в хаотичной россыпи звезд именно такой образ. Тем не менее, найти созвездие Девы на небе не так уж сложно. В ее составе есть звезда первой величины, благодаря яркому свету которой Деву можно легко разыскать среди прочих созвездий.

12 слайд

Описание слайда:

Туманность Андромеды Ближайшая к Млечному Пути большая галактика. Содержит примерно 1 триллион звёзд, что в 2,5-5 раз больше Млечного Пути. Расположена в созвездии Андромеды и отдалена от Земли на расстояние 2,52 млн св. лет. Плоскость галактики наклонена к лучу зрения под углом 15°, её видимый размер - 3,2 × 1,0°, видимая звёздная величина - +3,4m.

13 слайд

Описание слайда:

Млечный путь Млечный Путь относится к галактикам спирального типа. При этом он имеет перемычку в виде огромной звездной системы, связанной между собой гравитационными силами. Считается, что Млечный Путь существует уже более тринадцати миллиардов лет. Это период, в течение которого в данной Галактике образовалось порядка 400 млрд созвездий и звезд, свыше тысячи огромных по своим размерам газовых туманностей, скоплений и облаков. Форма Млечного Пути хорошо видна на карте Вселенной. При ее рассмотрении становится понятно, что это скопление звезд представляет собой диск, диаметр которого равен 100 тыс. световых лет (один такой световой год составляет десять триллионов километров). Толщина звездного скопления - 15 тыс., а глубина - около 8 тыс. световых лет. Сколько весит Млечный Путь? Это (определение его массы - весьма сложная задача) подсчитать не представляется возможным. Сложности вызывает определение массы темной материи, которая не вступает во взаимодействие с электромагнитным излучением. Вот почему астрономы окончательно не могут ответить на данный вопрос. Но существуют грубые подсчеты, согласно которым, вес Галактики находится в пределах от 500 до 3000 млрд масс Солнца