Структурные уровни организации материи. Мега- и макромир.

Рассмотрены основные представления о мега- и макромире. Обсуждены вопросы о возникновении Вселенной, проблемы существования внеземных цивилизаций. Сведения о Земле и природных ресурсах даны с учетом бережного отношения к окружающей среде.



Дидактический план

Структурные уровни организации материи. Структурность и системность материи. Микро-, макро- и мегамир.

Основные представления о мегамире. Возникновение Вселенной. Теория Большого взрыва. Модель расширяющейся Вселенной. Образование Солнечной системы.

Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций. Основные направления поиска внеземных цивилизаций. Современный анализ проблемы внеземных цивилизаций.

Солнечная система. Планеты земной группы. Планеты-гиганты. Малые планеты и кометы. Солнечная активность.

Развитие представлений о Земле. Форма и размеры Земли. Современные представления о строении Земли. Образование Земли. Возраст Земли. Геосферы Земли.

Природные ресурсы и их использование. Неисчерпаемые ресурсы. Исчерпаемые природные ресурсы и их использование.


Предисловие

Учебная дисциплина «Естествознание» предназначена для изучения в 10 и 11 классах. В каждом классе содержание изучаемой дисциплины представлено двумя рабочими учебниками.

Настоящий рабочий учебник по дисциплине «Естествознание» предназначен для школьников 10 класса. Во втором модуле (юните) излагаются основные понятия мега и макромира. Рассмотрены вопросы, связанные с происхождением Вселенной, теория Большого взрыва, модель расширяющейся Вселенной, строение Солнечной системы, а также Земли и планет Земной группы. Изучив и освоив материалы второго модуля, обучающийся должен:

- знать основные понятия, описывающие мега- и макромир, представленные в глоссарии;

- иметь представление о строении Вселенной, Солнечной системы и планеты Земля;

- на основании полученных знаний о природных ресурсах Земли развивать бережное отно-шение к окружающей среде.


Структурность и системность материи

Существенными признаками материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется.

Представления о материи в современной науке строятся на системном подходе. В рамках системного подхода любой объект материального мира рассматривается как система.

Система – внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям.

Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной сложной системой и элементом другой, более сложной системы. В этом и заключается системность материи.

Совокупность связей между элементами системы образует структуру системы. Поскольку любая система обязательно состоит из элементов, которые связаны друг с другом разнообразными связями, можно сделать вывод, что бесструктурных объектов не существует.

Системность материи неразрывно связана со структурностью, под которой понимают связи между огромным множеством систем окружающего нас мира, находящихся в отношении иерархической соподчиненности, а также упорядоченность строения каждой системы.


Микро-, макро- и мегамир

Осознавая структурность и системность материи в качестве важнейших ее свойств, человек, изучая окружающий мир с точки зрения своих человеческих потребностей, соизмеряет все эти многочисленные системы в первую очередь с собой. Исходя из этого, в естествознании выделяют три основных уровня строения материи:

- микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 секунды;

- макромир – мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом. Пространствен-ные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах и годах;

- мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

Условные границы микро-, макро- и мегамира приведены в табл. 1:

Таблица 1

Условные границы микро-, макро- и мегамиров

Уровни

Условные границы

размер, м

масса, кг

Микромир

r <=10-8

m <= 1010

Макромир

r ~ < 10-8 - 107

m ~ 10-10 – 10 20

Мегамир

r > 107

m > 1020

Дольше всего и подробнее всего наука изучала макромир. Результатом явилась классическая наука Нового времени, которая занималась изучением объектов и процессов, которые человек вполне мог наблюдать невооруженным глазом. Именно так появились на свет механика, классическая термодинамика, оптика, электродинамика.

Изучение микромира началось с конца XIX века. Толчком послужило открытие Дж. Томсоном в 1897 г. первой элементарной частицы – электрона, а также выдвижение М. Планком в 1900 г. идеи кванта как мельчайшей неделимой порции энергии, в которой только и может происходить излучение и его поглощение. Ошеломлявшие ученых свойства элементарных частиц вскоре удалось объяснить в рамках первых квантовых теорий – квантовой механики и квантовой электродинамики. Тем не менее в этой области еще существует великое множество загадочных и пока необъясненных фактов. Их изучение было задачей современной науки и, очевидно, останется целью постнеклассической науки.

Несколько иначе обстоит дело с исследованием мегамира, начавшимся с появлением астрономии – одной из первых естественных наук. Но большую часть своей истории астрономия не выходила за рамки описательной науки. Концепции и теории в космологии и космогонии, носящие достаточно обоснованный характер, стали появляться только к началу XX века.

Космология – физическое учение о строении и эволюции Вселенной, как единого целого.

Космогония – раздел астрономии, занимающийся изучением, происхождением и эволюцией небесных тел, звезд, планет и других тел планетной системы.

При этом многие из концепций и теорий в космологии и космогонии оказались связанными с исследованиями в области микромира. Таким образом, подтверждалась диалектика природы, воплощенная в идее всеобщей связи всех структурных уровней организации материи.


Основные представления о мегамире

Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что мегамир начи-нается с расстояний около 107 и масс 1020 кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28?107 м, масса 6?1021 кг). Поскольку мегамир имеет дело с большими рассто-яниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.

Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5?1011м.

Световой год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46?1015м.

Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08?1016 м = 3,26 св. г.

Вселенная – это весь окружающий нас мир. Астрономы и физики обычно подразумевают под этим ту его часть, которая в принципе доступна изучению естественнонаучными методами.

Астрономическая Вселенная, или Метагалактика - это часть Вселенной, доступная наблю-дениям в настоящее время или в обозримом будущем. Небесные тела во Вселенной образуют системы различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Все планеты – остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом.
В ясную ночь мы видим множество звезд, которые составляют лишь ничтожную часть звезд, входящих в нашу Галактику. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу – Млечного Пути. Часто говорят, что наша Галактика называется Млечный Путь.

Млечный Путь (наша Галактика) – светлая неровная полоса, опоясывающая небо по большому кругу. Таким нам представляется звездный диск нашей галактики, который мы наблюдаем изнутри, находясь вблизи плоскости диска.

Галактики – это звездные системы той же природы, что и наша Галактика, объединяющие большинство существующих в природе звезд. Помимо звезд и связанных с ними планетных тел, в состав Галактик входит межзвездный газ и пыль. За редкими исключениями, массы Галактик лежат в пределах 108-1012 масс Солнца, размеры - от нескольких тысяч до сотен тысяч световых лет. Силой, которая удерживает звезды одной Галактики вместе, является сила их гравитационного притяжения друг к другу. Ближайшие к нам Галактики - Большое и Малое Магеллановы Облака, удаленные от нас примерно на 150 тыс. св. лет. Большинство наблюдаемых Галактик можно отнести к одному из трех типов: эллиптические, спиральные и неправильные. Наша Галактика – спиральная. Галактики отличаются как по внешнему виду, так и по структуре, звездному составу и содержанию межзвездного газа.

Все небесные тела имеют свою историю развития. Возраст Вселенной равен 15-20 млрд лет (иногда указывают среднее число – 18 млрд лет). Возраст Солнечной системы оценивается
в 5 млрд лет, Земли – 4,5 млрд лет.


Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва

Проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Вопросы о том, как велик окружающий нас звездный мир и когда он возник или был создан, интересуют людей с незапамятных времен. В различных мифах, натурфилософских представлениях до нас дошли идеи о бесконечном пространстве и времени. Действительно, утверждения о том, что мир возник из какого-то первичного хаоса или был сотворен в некоторый момент времени, неявно предполагают, что Хаос и Творец существовали еще «до того», а за границами мира, как бы далеко они ни располагались, всегда есть что-то еще, по крайней мере пустота. Принципиально иная концепция возникла в 20-х годах 20-го века. Основываясь на созданной незадолго до того общей теории относительности, ленинградский физик А.А. Фридман пришел к выводу, что в силу каких-то пока не ясных причин Вселенная внезапно возникла в очень малом, практически точечном объеме чудовищной плотности и температуры (так называемой сингулярности) и стала стремительно расширяться. Размеры «зародыша» Вселенной сопоставляют с размерами атомного ядра, т.е. 10-15 м. Ученик Фридмана Дж. Гамов рассчитал в конце сороковых годов модель горячей взрывающейся Вселенной, положив начало так называемой теории "Большого взрыва". Широкое распростра-нение и внедрение эта теория получила с середины 1960-х годов.

Большой взрыв – понятие из теории происхождения Вселенной, согласно которому Вселенная образовалась в результате грандиозного взрыва чего-то невероятно маленького и горячего и с тех пор все время расширяется.

Спрашивать о том, что было до «Большого Взрыва» и что находится за пределами стреми-тельно расширяющегося мира, бессмысленно. Вселенная, согласно теории Большого Взрыва ограничена в пространстве и времени, по крайней мере, со стороны прошлого. Такая трудно совместимая с нашей интуитивной логикой картина следовала из полученных Фридманом формул. Вскоре, однако, астрономические наблюдения подтвердили факт расширения окружаю-щего нас пространства: американский астроном Э. Хаббл измерил его скорость. Экстраполируя обратно к исходному нулевому объему, можно было оценить время жизни Вселенной — что-то около 15–20 миллиардов лет. До самого взрыва не существовало ни вещества, ни времени, ни пространства. События в первую секунду протекали стремительно. Вначале образовалось излучение (фотоны), затем частицы вещества - кварки и антикварки. В течение той же секунды из кварков и антикварков образовались протоны, антипротоны и нейтроны. Как известно, антипротон отличается от протона противоположным зарядом, а в остальном, эти частицы являются почти тождественными. При столкновении протона и антипротона происходит реакция аннигиляции, в ходе которых обе частицы исчезают, превращаясь в излучение (фотоны). Также возможны ядерные реакции обратные реакции аннигиляции, когда из фотонов образуется пара протон-антипротон. Сказанное о протоне и антипротоне верно также и для любой другой пары частицы и соответствующей античастицы.

После образования протонов, антипротонов и нейтронов стали частыми реакции аннигиляции, так как вещество новорожденной Вселенной было очень плотно, частицы постоянно между собою сталкивались.

К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд градусов, образо-вались и некоторые другие элементарные частицы, в том числе электрон и парная ему античастица - позитрон. К тому же временному рубежу большая часть частиц аннигилировала.

Аннигиляция – превращение частицы и античастицы при столкновении в другие частицы.

Так вышло, что частиц вещества было на ничтожную долю процента больше, чем частиц антивещества. Этот факт до сих пор нуждается в объяснении. Но, так или иначе, наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества.

К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сот тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. Вселенная стала намного «просторнее». Излучение, не сдерживаемое больше свободными электронами, смогло распространяться на значительные расстояния. Мы до сих пор можем на Земле "слышать" отголоски того излучения, предсказанного Г. Гамовым. Оно равномерно приходит со всех сторон и, значительно "остыв" за 15 миллиардов лет с момента Взрыва, соответствует излучению тела, нагретого всего до 3 К. Это излучение принято называть реликтовым. Его обнаружение и существование подтверждают теорию Большого взрыва. Излучение является микроволновым.

При расширении в общем однородной Вселенной в тех или иных ее местах образовывались случайные сгущения. Но именно эти "случайности" стали зачатками больших уплотнений и центрами концентрации вещества. Так во Вселенной образовались области, где вещество собиралось, и области, где его почти не было. Под воздействием гравитации появившиеся уплотнения росли. В местах таких уплотнений стали образовываться галактики, скопления и сверхскопления галактик.

В последнюю четверть двадцатого века теория Большого Взрыва стала практически общепринятой в космологии.


Модель расширяющейся Вселенной

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения – общая теория относительности.

Пять лет спустя, в 1922 г. советский физик и математик Александр Фридман на основании строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизменной. Фридман сделал это, опираясь на сформулированный им космологический принцип. Он строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной, проводя наблюдения из которых, мы везде увидим изотропную Вселенную.

Сегодня с этим принципом согласно большинство ученых. Результаты современных наблюдений показывают, что структурные элементы далеких звезд и галактик, физические законы, которым они подчиняются, физические константы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной, включая Землю. Кроме того, известно, что вещество во Вселенной собрано в «сгустки» – звезды, звездные системы и галактики. Но распределение вещества в более крупных масштабах однородно.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1929 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик красное смещение спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера – изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. По последним измерениям, это увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение, и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения.


Образование Солнечной системы

Как и в случае с эволюцией Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Достоверно известно, что наша Солнечная система образовалась примерно 5 млрд лет назад, причем Солнце – звезда второго (или еще более позднего) поколения. Это означает, что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках.

Солнечная система – Солнце вместе со всей семьей своих планет и прочих объектов (комет, астероидов, лун, пыли и т.д.).

Дальнейший ход событий изложен в целом ряде гипотез, среди которых наибольшей популярностью пользуется гипотеза шведских астрономов X. Альвена и Г. Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого объясняется совокупностью различных сил (гравитацией, магнитогидроди-намикой, электромагнетизмом, плазменными процессами) и проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества, в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникло первичное тело – звезда, а затем к нему из другого газопылевого облака, через которое по своей орбите двигалось Солнце, поступил материал для образования вторичных тел. Таким образом, к моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало.

Для такого утверждения есть достаточные основания. После обобщения результатов многолетних исследований вещества метеоритов, Солнца и Земли были обнаружены отклонения в изотопном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце, что свидетельствует об их различном происхождении. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака, и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества, не превышающая 0,15 массы Солнца, с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования планет и метеоритов. Если бы масса этого облака была больше, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Чтобы образовать планетную систему, звезда должна обладать рядом признаков:

- мощным магнитным полем, величина которого превышает определенное критическое значение;

- пространство в окрестностях звезды должно быть заполнено разреженной плазмой, создающей солнечный ветер.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Сила тока в них достигала нескольких сотен миллионов ампер и больше, что способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В этих каналах возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной.

Когда молодое Солнце начало свое прохождение через газопылевое облако, мощное гравитационное поле звезды начало притягивать поток газовых и пылевых частиц, послуживших материалом для образования вторичных тел. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу, но при этом они попадали в сверхкорону Солнца. Там они ионизировались и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела. Таким образом, с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете, выделились три-четыре концентрические области, плотности частиц, в которых примерно на 7 порядков превышали их плотности в промежутках. Этим объясняется тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см3), а планеты-гиганты имеют намного меньшие плотности (1–2 г/см3).

Метеориты и кометы, согласно данной модели, формировались на окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала слабая плазма.
В ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рождаются планеты, образоваться уже не могли. Слипание выпавших там частиц привело к единственно возможному результату – образованию кометных тел. Сегодня уже есть уникальные сведения, подтверждающие данную теорию. Они получены с помощью американских спутников «Вояджеров» при исследовании Юпитера, Сатурна и Урана.

Итак, эволюция Вселенной привела к образованию планет, а на отдельных из них, могли появиться жизнь и разум. Происходит это в местах нахождения разнообразных химических элементов, где протекают процессы их объединения в молекулы, сложность которых может нарастать до очень высоких уровней. Причину, заставляющую атомы объединяться в молекулы, наука знает достаточно хорошо. В основе этих процессов – химические силы, за которыми скрывается одна из фундаментальных сил природы – электромагнитное взаимодействие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной. В межзвездной среде, где концентрация вещества ничтожно мала, тем не менее обнаруживаются молекулы водорода. Там же встречаются мельчайшие пылинки, в их основе – кристаллики льда или углерода с примесью гидратов различных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газопылевые облака. Но самое интересное, с чем столкнулись исследователи, – это присутствие в космосе неожиданно большого разнообразия органических молекул, вплоть до таких сложных, как

молекулы аминокислот. Подсчитано, что в межзвездных облаках существует более 50 видов органических молекул. Еще удивительнее, что органические молекулы находятся во внешних оболочках некоторых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от температуры абсолютного нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, – распространенное и вполне обыденное явление в космосе. Правда, наука пока не может с уверенностью объяснить конкретные пути протекания такого синтеза.

В связи с этим возникает вопрос, способно ли усложнение вещества достигнуть самых высоких уровней вне планет, в межзвездной среде или в оболочках не очень горячих звезд? Иначе говоря, возможна ли там жизнь? Существует ли жизнь на других планетах, возникших у далеких от нас звезд? Эта тема неоднократно обыгрывалась в научно-фантастических произведениях, но современная наука не позволяет дать на этот вопрос ни положительного, ни отрицательного ответа. Пока мы знаем только один вариант жизни в космосе – на Земле, хотя вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной, волнует не только ученых, но и обычных людей.


Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций

Представления о том, что Вселенная обитаема, были широко распространены в древности. Так, античные философы Анаксагор, Демокрит, Лукреций Кар считали, что, поскольку Космос образован из одной субстанции (например, из атомов) и подчиняется единому закону – Логосу, то в разных частях Космоса, как и на Земле, должна возникать жизнь. Позже аналогичные аргументы использовал Д. Бруно, выдвигая свою идею о множественности миров. Но до XX в. вопрос о возможности жизни на других планетах звучал настолько фантастично, что серьезными учеными практически не обсуждался. Лишь в XX в. о распространенности жизни и разума во Вселенной заговорили всерьез, и это были не умозрительные рассуждения, а подкрепленные точными расчетами выводы.

Особенно актуально вопрос о поиске внеземных цивилизаций – общества разумных существ, которые могут возникать и существовать вне Земли, встал во второй половине XX в. в связи с выходом человека в космос. Стала очевидной принципиальная возможность космических полетов не только внутри Солнечной системы, но и за ее пределы. На этом основании заговорили не только о полетах человека в космос, но и о возможном посещении нашей планеты представителями других цивилизаций. Следы этих посещений являются предметом поиска многих энтузиастов от науки.


Основные направления поиска внеземных цивилизаций

На волне этого энтузиазма в 60-х годах XX в. появились первые международные программы, ставящие своей целью поиск и контакт с внеземными цивилизациями. А в 1982 г. Международный астрономический союз организовал специальную комиссию по этой проблеме. Основными методами работы данной комиссии стали поиск радиосигналов от других цивилизаций и отправка собственных сообщений.

Эти исследования в основном ведутся на волне длиной в 21 см, так как считается, что она должна быть известна всем цивилизациям как излучение нейтрального межзвездного водорода. На этой длине волны ученые всего мира ведут исследование распределения водорода в Галактике и других галактиках. Поэтому, если сигнал будет послан на этой волне, велика вероятность его обнаружения.

Еще одним направлением поиска внеземных цивилизаций стал поиск следов их астроинже-нерной деятельности. Долгое время среди ученых господствовала идея о том, что высокоразвитые цивилизации должны располагать практически неограниченными источниками энергии, распоряжаясь полностью не только энергией своего солнца, но и энергией в масштабах всей своей галактики. Поэтому следы деятельности таких цивилизаций должны быть хорошо заметны.

Поиск следов пребывания представителей внеземных цивилизаций на Земле – еще одно направление их поиска. Предполагалось, что в нашей Галактике должно быть большое число старых цивилизаций, начавших свое развитие за несколько миллиардов лет до появления жизни на Земле. Поэтому считалось, что Земля могла неоднократно посещаться представителями этих цивилизаций в прошлом. Поэтому достаточно активно велись поиски следов таких посещений, а также их возможного влияния на развитие земных цивилизаций.

И наконец, ученых не оставляла надежда на возможный прилет представителей внеземных цивилизаций в наше время.

Но первоначальный энтузиазм довольно быстро угас, так как несмотря на то что поиски сигналов велись тщательно и систематически, результатов они не дали. Надежды на то, что мы живем в окружении развитых цивилизаций, постоянно обменивающихся сигналами между собой, не оправдались. Идея «Великого Кольца» цивилизаций, выдвинутая И.А. Ефремовым в его знаменитом романе «Туманность Андромеды», не нашла своего подтверждения. Поэтому к началу 80-х годов многие ученые сделали неутешительный вывод: космос пуст, он молчит.

Допускавшаяся возможность межзвездных перелетов с точки зрения современной науки также весьма сомнительна, так как мощность необходимых для этого космических кораблей должна быть слишком большой, превышающей излучение Солнца.

Отрицает современная наука и возможность доступа внеземных цивилизаций к неограни-ченным энергетическим ресурсам. Сегодня считается, что непрерывное производство энергии в среде обитания цивилизации не должно превышать одной тысячной доли получаемой от звезды энергии. Производство и использование энергии сверх указанного предела приведет к разрушению всей среды обитания человечества.


Современный анализ проблемы внеземных цивилизаций

С позиций современной науки предположение о возможности существования внеземных цивилизаций имеет под собой основания. Физика и астрономия установили факт тождественности физических законов во всей видимой части Вселенной. Астрономия показала, что наше Солнце – обычная звезда, желтый карлик, каких много в нашей Галактике, которая также является типичным объектом во Вселенной. Также мы знаем о появлении разнообразных химических элементов в результате звездного ядерного синтеза, проходившего в звездах первого поколения. Поэтому звезды второго и третьего поколений появлялись в разных местах Вселенной, и многие из них должны были создать собственные планетные системы, где на некоторых из них могла появиться жизнь и разумные существа.

Разумеется, физические и химические условия в разных уголках Вселенной весьма различны. Мы сегодня не знаем, возможны ли иные формы жизни, отличные от тех, которые появились у нас на Земле. Если мы будем считать, что жизнь в любом уголке Вселенной должна быть похожей на земные формы, то мы можем определить необходимые для нее условия. К их числу относятся:

- возникновение жизни около старых звезд второго поколения, возле которых есть остатки тяжелых элементов, сохранившиеся после взрывов сверхновых звезд первого поколения;

- соответствующие температурные условия на планете, исключающие слишком высокие или слишком низкие температуры;

- масса планеты, достаточная для того, чтобы планета не потеряла свою атмосферу, но не слишком большая, иначе у нее останется первичная водородная и гелиевая атмосфера;

- наличие жидкой оболочки на поверхности планеты, так как жизнь, скорее всего, зародилась в воде.

Таким образом, планета, на которой может зародиться жизнь, должна по своим характеристикам быть похожа на Землю. Конечно, таких планет не может быть очень много, ведь и в нашей Солнечной системе лишь одна такая планета.

Редкость внеземных цивилизаций может быть одной из причин, почему мы не фиксируем их существование. Другой причиной может быть недостаток наблюдаемых данных. Кроме того, мы можем не осознавать, что получаемые нами сигналы имеют искусственное происхождение.
В таком случае неверны наши исходные теоретические представления о внеземных цивилизациях и их возможностях. Также существует предположение, что жизнь в космосе не является уникальной, но она возникла в разных местах Вселенной примерно в одно и то же время, около
4 млрд лет назад. Тогда во Вселенной нет слишком большой разницы в технических уровнях развившихся цивилизаций, и искать следы этих цивилизаций просто бессмысленно, так как их еще нет. Возможно, правы те ученые, которые утверждают, что цивилизации, достигшие в своем развитии технологической фазы, быстро гибнут от загрязнения окружающей среды или от ядерной войны. И, конечно, могут быть правы скептики, говорящие об уникальности жизни во Вселенной, считающие, что жизнь и разум появились только на нашей планете.

Тем не менее поиск следов внеземных цивилизаций не прекращается. Более того, ученые думают о том, как передать этим цивилизациям информацию о существовании земной циви-лизации. Так, в 1974 г. с помощью американского радиотелескопа в Аресибо (Пуэрто-Рико) было направлено радиопослание в созвездие Геркулеса. Там есть несколько десятков звезд солнечного типа, а значит, есть шансы на существование разумной жизни. В этом послании были переданы числа 1 и 2, а также метки чисел, атомные номера водорода, углерода, азота и фосфора – химических элементов-органогенов; химические формулы сахаров и оснований в нуклеотидах ДНК; число нуклеотидов в ДНК; двойная спираль ДНК; человек, его рост и численность населения Земли; Солнечная система; радиотелескоп, передавший послание, и его диаметр. Всего это послание содержало 1679 бит информации.


Солнечная система

Солнце, центральное тело солнечной системы, представляет собой раскаленный плазменный шар. Солнце - ближайшая к нам звезда во Вселенной, относящаяся к разряду желтых карликов. Тем не менее в Солнце сосредоточено 99,8% массы Солнечной системы. Диаметр Солнца составляет 1 400 000 км, что в 109 раз больше диаметра Земли. Средняя плотность Солнца лишь
в 1,4 раза больше плотности воды (средняя плотность Земли – в 5,5 раз больше плотности воды), хотя в центре Солнца плотность вещества значительно увеличивается и становится в 150 раз больше плотности воды. Температура на поверхности Солнца – около 6000 К, в глубине – повышается до 10–15 млн К.

По своему строению Солнце состоит из ряда концентрических сфер. В центре Солнца находится ядро, затем идет конвективная зона и, наконец, атмосфера, которая состоит из трех частей – фотосферы, хромосферы и короны. Фотосфера – нижняя часть солнечной атмосферы, из которой исходит почти все излучение Солнца. Ее толщина около 300 км. Выше идет хромосфера, она видна во время солнечных затмений как розовое кольцо вокруг Солнца. В хромосфере образуются пятна, а также протуберанцы – выбросы из хромосферы. Корона – самая внешняя и наиболее разреженная часть солнечной атмосферы. Форма короны меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности (11-летний цикл, связанный, скорее всего, с обращением Юпитера вокруг Солнца). В годы минимума корона сильно вытянута вдоль экватора, в годы максимума – почти сферична.

История телескопических наблюдений Солнца начинается с наблюдений, выполненных
Г. Галилеем в 1611 году; им были открыты солнечные пятна, определен период вращения Солнца вокруг своей оси. В 1843 году немецкий астроном Г. Швабе обнаружил цикличность солнечной активности. Развитие методов спектрального анализа позволило изучить физические условия на Солнце. В 1814 году Й. Фраунгофер обнаружил темные линии поглощения в спектре Солнца - это положило начало изучению химического состава Солнца.

С 1836 года регулярно ведутся наблюдения затмений Солнца, что привело к обнаружению короны и хромосферы Солнца, а также солнечных протуберанцев. В 1913 году было доказано существование на Солнце магнитных полей. В начале 40-х годов XX века было открыто радиоизлучение Солнца. Существенным толчком для развития физики Солнца во второй половине XX века послужило развитие магнитной гидродинамики и физики плазмы. После начала космической эры изучение ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца ведется методами внеатмосферной астрономии с помощью ракет, автоматических орбитальных обсерваторий на спутниках Земли, космических лабораторий с людьми на борту.

Направление вращения Солнца совпадает с направлением вращения вокруг него всех его планет. Полагают, что содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2,5%. Более 70 химических элементов, найденных на Солнце, присутствуют в составе планет Солнечной системы, что доказывает единое происхож-дение Солнца и планет солнечной системы. Источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру Солнца, являются ядерные реакции превращения водорода в гелий, происходящие в недрах Солнца.

Новые открытия в астрономии позволили уточнить строение Солнечной системы. В 1930 г. была открыта девятая планета Солнечной системы – Плутон. Также было открыто множество спутников планет, астероидов, комет и метеорных потоков, являющихся частями Солнечной системы. Таким образом, в Солнечную систему входят: Солнце, девять планет с их спутниками, пояс астероидов, а также кометы и метеориты. Планеты располагаются в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля со своим спутником Луной, Марс с двумя спутниками – Фобосом и Деймосом, Юпитер с пятнадцатью, Сатурн с шестнадцатью, Уран с пятью, Нептун с двумя спутниками и Плутон со спутником Хароном. Земля расположена в 40 раз ближе к Солнцу, чем Плутон, и в 2,5 раза дальше, чем Меркурий. Возможно, за Плутоном есть и другие планеты (притя-жение Солнца может их еще удержать, эта область простирается почти до ближайших звезд, на 230 000 а.е.), но поиски их с помощью телескопов слишком сложны. Поэтому, если эти планеты и будут обнаружены, то только на основе вычислений, как это было с тремя последними планетами Солнечной системы. Поэтому сегодня размеры Солнечной системы оцениваются в 40 а.е.
(1 астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца – 149,6 млн км).

В наши дни астрономы особое внимание обращают на пояс астероидов – малых планет, располагающихся между Марсом и Юпитером. Сегодня известно около 40000 малых планет. Всем им присваиваются женские имена. Самые крупные из них – Церера, Паллада, Веста (их диаметр составляет несколько сот километров). Остальные астероиды намного меньше. Есть также группа астероидов, траектории движения которых сильно вытянуты и заходят вглубь орбит планет земной группы. Им присваиваются мужские имена. Таков, например, астероид Гермес, который подходит к Земле на расстояние всего в 700000 км. До сих пор остается загадкой, откуда взялись астероиды в Солнечной системе. Одна из гипотез говорит о возможности существования десятой планеты солнечной системы – Фаэтона, которая в силу каких-то причин взорвалась, а ее обломки и составили пояс астероидов.

Большой интерес исследователей вызывают и кометы – самые загадочные объекты Солнечной системы. Тысячелетиями их появление на небе вызывало смятение и ужас людей. Считалось, что они – предвестники войн, нашествий и эпидемий. Сегодня ученые знают о кометах намного больше, чем раньше, но происхождение комет и их устройство все еще остаются загадкой.

Кометы имеют вид туманных объектов со светлым сгустком-ядром в центре и хвостом. Количество комет в Солнечной системе огромно, хотя мы можем видеть лишь незначительную часть комет, заходящих внутрь орбиты Юпитера. Кометы становятся заметны, когда подходят на расстояние 4–5 а.е. к Солнцу, прогреваются его лучами, тогда из ледяного ядра кометы выделяются газ и пыль, которые видны в виде хвоста. Орбиты комет очень вытянуты. В перигелии (ближайшей точке орбиты) они подходят к Земле и другим планетам земной группы, а в афелии (дальней части орбиты) – выходят далеко за пределы Солнечной системы. Поэтому срок обращения комет вокруг Солнца может составлять несколько сотен лет.

Кометы состоят из водяного льда с примесью углекислого газа, метана и циана, а также каменистых веществ. Кометы быстро теряют вещество и самые стойкие из них живут не больше, чем несколько тысяч оборотов вокруг Солнца. После этого они разваливаются и превращаются в метеорные потоки.

Результаты наблюдений за кометами сведены в каталоги. Но всегда есть вероятность появления новых комет или изменения орбит старых, давно известных комет под действием сил притяжения больших планет. В таком случае кометы могут столкнуться с планетами, в том числе и с Землей. Раньше такие столкновения уже случались. На Земле есть целый ряд больших кратеров, имеющих ударное происхождение. Возможные последствия такого столкновения в наши дни показаны в фантастических фильмах «Астероид», «Столкновение с бездной» и др. Именно поэтому сегодня организована служба слежения за космосом, которая должна предупредить подобные события.

С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются не только с помощью телескопов, но и космических аппаратов. Вслед за Луной, поверхность которой была сфотографирована и изучена с помощью «Луноходов», спускаемые аппараты были направлены на Марс и Венеру. Также были получены фотографии спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера.

Солнечная активность. На фотосфере – видимой поверхности Солнца наблюдаются темные пятна. Причина их появления – сильные магнитные поля, которые замедляют движение горячих потоков от центра Солнца к его поверхности. Таким образом, темные пятна – это более холодные области на фотосфере. С появлением пятен связаны и другие явления: вспышки в хромосфере, сопровождающиеся различными излучениями (тепловым, ультрафиолетовым, рентгеновским
и т.п.). Эти явления называются солнечной активностью. В годы максимумов солнечной активности мощность различных видов излучения возрастает в несколько раз. Количество пятен колеблется с периодом в 11 лет, т.е. солнечная активность имеет циклических характер.


Галактики

История исследования галактик началась почти сразу после изобретения телескопа. Еще
В. Гершель открыл существование множества светлых пятен туманного вида, видимых в разных созвездиях в одних и тех же местах. Их назвали туманностями. Но до 20-х годов XX в. природа и строение этих туманностей оставались загадкой. Новые мощные телескопы позволили рассмотреть, что туманности – это не облака пыли или газа, а очень далекие звездные системы с огромным количеством звезд. Таким образом, стало ясно, что во Вселенной существует не один только Млечный Путь – Галактика, частью которой является наша Солнечная система, но и многие другие галактики.

В это же время американскому астроному Э. Хабблу при изучении далеких галактик удалось обнаружить в них переменные звезды. Измеряя блеск переменных звезд, ему удалось выяснить расстояние до галактик, в которые они входили. Ближайшая к нам галактика – Туманность Андромеды (она видна как размытое пятно в созвездии Андромеды), до нее около 1,5 млн световых лет и ее можно увидеть невооруженным глазом. Самые далекие галактики расположены на расстоянии 10 млрд световых лет, они видны только в самые мощные телескопы. Размеры их разные – есть карликовые галактики диаметром в несколько десятков световых лет и есть галактики-великаны, доходящие до 18 млн световых лет в поперечнике.

Наблюдая другие галактики, ученым следует помнить, что свет от них до Земли идет миллионы и миллиарды лет, поэтому мы сегодня видим далекое прошлое этих галактик.

Велики не только размеры галактик и расстояния до них, но и количество галактик, известных сегодня. Самый большой 6-метровый телескоп позволяет сфотографировать несколько милли-ардов галактик. Поэтому наблюдаемая нами часть Вселенной – это в основном мир галактик, которые существуют не поодиночке, а в скоплениях и группах галактик.

Чрезвычайно разнообразны формы галактик. Еще Хаббл выделил три основные формы галактик. Около 60% всех галактик составляют спиральные галактики, для которых характерны две сравнительно яркие ветви, выходящие из ядра. Эти ветви расположены по спирали. Наша Галактика относится к спиральному типу. 13% галактик относится к типу эллиптических галактик, имеющих форму эллипсоидов. Остальные галактики являются неправильными. Это линзооб-разные, кольцевые, дисковидные, карликовые галактики.

Лучше всего сегодня исследована Местная группа галактик, в которую входят наша Галактика, Туманность Андромеды, 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалак-тических шаровых скоплений и неправильные галактики, самые крупные из которых – Большое и Малое Магеллановы Облака.

Особый интерес у ученых вызывает наша Галактика – Млечный Путь. Большая часть нашей Галактики хорошо видна невооруженным глазом в виде светящейся полосы. К сожалению, Земля расположена не очень удачно для наблюдений Галактики, мы находимся внутри нее и не можем увидеть ее со стороны.

Тем не менее, известно, что наша Галактика представляет собой гигантскую звездную систему, состоящую примерно из 200 млрд звезд, среди которых – наше Солнце. Кроме звезд в Галактику входит много пыли, газа, она пронизана магнитными полями и космическими излучениями. По форме наша Галактика является спиральной. Большую ее часть составляет правильный диск с шарообразным утолщением в центре, напоминающий линзу или чечевицу. Диаметр Галактики – около 100 000 световых лет, толщина – в 10–15 раз меньше, возраст – около 15 млрд лет.

В состав Галактики входят разные звезды. Есть старые и молодые звезды, возраст которых не превышает 100 тыс. лет. Но большая часть звезд имеет средний возраст – несколько миллиардов лет. К этой группе относится и наше Солнце. Оно расположено ближе к краю Галактики, на расстоянии 25000 световых лет от ее ядра. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с за 250 млн лет. Этот период может быть назван галактическим годом.

В спиральных рукавах Галактики звезды расположены неравномерно, образуя «трубы», в стенках которых находятся звезды. Эти рукава соединяются с ядром Галактики. Строение ядра до сих пор остается загадкой и привлекает к себе внимание астрономов. Ядро – сравнительно небольшая область, из которой непрерывно истекает протонно-водородный газ массой 1,5 массы Солнца в год. Откуда берется этот газ и что происходит в ядре, современная наука не знает. Хотя в последнее время появилась гипотеза, что, возможно, в ядре находится черная дыра.

Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях примерно в 10–20 раз больше, чем размеры крупнейших галактик. Таким образом, галактики заполняют пространство с большей относительной плотностью, чем звезды внутри галактик (расстояния между ними
в 20 млн раз больше их диаметра).

Хотя в телескопы ученым удается увидеть только галактики, в темном пространстве, разделяющем их, несомненно, присутствует вещество. Межзвездное пространство заполнено газом и пылью, состоящей в основном из водорода и гелия с незначительной примесью других химических элементов. Кроме того, оно насыщено различными излучениями, потоками нейтрино и космических частиц, состоящих из множества разнообразных элементарных частиц. В местах наибольшего скопления газопылевого вещества астрофизикам удалось обнаружить различные органические соединения - углеводороды, спирты, эфиры и даже аминокислоты.

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метага-лактику – доступную для наблюдения часть Вселенной, важным свойством которой является однородность и изотропность распределения вещества в ней. Но такой Метагалактика была не всегда. В прошлом, как считает современная космология, она была анизотропна и неоднородна. Поисками следов этого состояния занимается внегалактическая астрономия.

Вопрос о том, является ли Метагалактика единственной, можно ли поставить знак равенства между Метагалактикой и всей Вселенной, пока остается открытым. Существуют гипотезы о множественности метагалактик, множественности вселенных, в каждой из которых действуют свои фундаментальные законы. Современная наука такой возможности не отрицает. Все, что не запрещено законами природы, где-либо и когда-нибудь может быть реализовано.

Рождение и эволюция звезд

Рождение звезд в Галактике происходит постоянно. Этот процесс компенсирует так же непрерывно происходящую смерть звезд. Поэтому в Галактике есть звезды старые и молодые. Самые старые звезды сосредоточены в шаровых скоплениях, возраст их сравним с возрастом Галактики. Старые звезды формировались, когда протогалактическое облако распадалось на все более мелкие сгустки, в результате постепенного дробления которых возникли скопления звездных масс.

Современные звезды возникают из газопылевых облаков, которые начинают сжиматься под действием гравитационных сил, и энергия сжатия превращается при этом в излучение, которое может свободно выходить из облака в космическое пространство. При дальнейшем сжатии температура внутренних областей облака повышается, и таким образом образуется протозвезда (горячее ядро), которую еще почти не видно, так как она находится внутри родительского облака. Период сжатия облака солнечной массы составляет около миллиона лет.

Затем протозвезда сжимается гораздо медленнее. В ней протекают конвекционные процессы, связанные с перемещением внутренних, более горячих слоев вещества снизу вверх и холодных наружных – сверху вниз. При этом температура протозвезды достигает нескольких тысяч градусов. Кроме того, конвекция сопровождается короткой вспышкой светимости.

При этом процесс сжатия протозвезды продолжается, стремясь к некоторому конечному значению. Светимость протозвезды при этом падает. Данный этап занимает десятки миллионов лет. Наконец, сжатие прекращается, в звезде начинаются термоядерные реакции, и она становится стабильной обычной звездой, в которой действие сил тяготения, стремящихся сжать ее в точку, уравновешивается внутренним давлением газа, истекающим из звезды. Такая звезда является саморегулирующейся системой. Так, если температура внутри нее повысится, то звезда раздувается. Если теплоотвод превысит тепловыделение, то звезда начнет сжиматься и разогреваться, ядерные реакции ускоряются, и баланс восстанавливается.

С момента начала термоядерной реакции, превращающей водород в гелий, звезда типа нашего Солнца переходит на так называемую главную последовательность, в соответствии с которой будут изменяться с течением времени характеристики звезды – ее светимость, температура, радиус, химический состав и масса. После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка – расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента звезда выходит на завершающий этап своей жизни.
С нашим Солнцем это произойдет примерно через 8 млрд лет. При этом его размеры увеличатся до орбиты Меркурия, а может быть, и до орбиты Земли, так что от планет земной группы ничего не останется (или останутся оплавленные камни).

Для красного гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высокая внутренняя. Одновременно в термоядерные процессы включаются все более тяжелые ядра, что приводит к синтезу химических элементов. При этом красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Так, только за один год Солнце на стадии красного гиганта может потерять одну миллионную часть своего веса. Таким образом, всего за десять – сто тысяч лет от красного гиганта остается лишь центральное гелиевое ядро, и звезда становится белым карликом. То есть белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта, а затем сбрасывает остатки оболочки, из которой образуется планетарная туманность.

Такие звезды невелики по своим размерам – по диаметру они даже меньше Земли, хотя их масса сравнима с солнечной. Но плотность такой звезды в миллиарды раз больше плотности воды. Кубический сантиметр его вещества весит больше тонны. Тем не менее, это вещество является газом, хотя и чудовищной плотности. Это очень плотный ионизированный газ, состоящий из ядер атомов и отдельных электронов. В белых карликах термоядерные реакции практически не идут, они возможны лишь в атмосфере этих звезд, куда попадает водород из межзвездной среды.
В основном, эти звезды светят за счет огромных запасов тепловой энергии. Время охлаждения белого карлика сотни миллионов лет. Постепенно белый карлик остывает, цвет его меняется от белого к желтому, а затем к красному. Наконец, он превращается в черный карлик – мертвую холодную маленькую звезду размером с земной шар, который невозможно увидеть из другой планетной системы.

Несколько иначе развиваются более массивные звезды. Они живут всего несколько десятков миллионов лет. В них очень быстро выгорает водород, и они превращаются в красные гиганты всего за 2,5 млн лет. При этом в их гелиевом ядре температура повышается до нескольких сотен миллионов градусов. Такая температура дает возможность протекания реакций углеродного
цикла – слияние ядер гелия в углерод. Ядро углерода в свою очередь может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона и т.д. вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в нем поднимается до 3–10 млрд градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа – самого устойчивого во всей последовательности химического элемента. Более тяжелые химические элементы – от железа до висмута – также образуются в недрах красных гигантов в результате медленного захвата нейтронов. При этом энергия не выделяется, как при термоядерных реакциях, а наоборот, поглощается. В результате сжатие звезды все убыстряется.

Образование же наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположи-тельно происходит в оболочках взрывающихся звезд, при их превращении в новые или сверхновые звезды, которыми становятся некоторые красные гиганты. В зашлакованной звезде нарушается равновесие, электронный газ более не способен противостоять давлению ядерного газа. Наступает коллапс – катастрофическое сжатие звезды, она «взрывается внутрь». Но если отталкивание частиц или другие причины все же останавливают коллапс, происходит мощный взрыв – вспышка сверхновой звезды, в окружающее пространство сбрасывается не только оболочка звезды, а до 90% ее массы, что приводит к образованию газовых туманностей. При этом светимость звезды увеличивается в миллиарды раз. Так, был зафиксирован взрыв сверхновой звезды в 1054 г. В китайских летописях было записано, что она была видна днем, как Венера, в течение 23 дней. В наше время астрономы выяснили, что эта сверхновая звезда оставила после себя Крабовидную туманность, являющуюся мощным источником радиоизлучения.

Взрыв сверхновой звезды связан с выделением чудовищного количества энергии. При этом рождаются космические лучи, намного повышающие естественный радиационный фон и нормальные дозы космического излучения. Так, астрофизики подсчитали, что примерно раз
в 10 млн лет сверхновые звезды вспыхивают в непосредственной близости от Солнца, повышая естественный радиационный фон в 7 тысяч раз. Это чревато серьезнейшими мутациями живых организмов на Земле. Кроме того, при взрыве сверхновых звезд идет сброс всей внешней оболочки звезды вместе с накопившимися в ней «шлаками» – химическими элементами, появившимися в результате ядерного синтеза. Поэтому межзвездная среда сравнительно быстро обретает все известные на сегодняшний день химические элементы тяжелее гелия. Звезды следующих поколений, в том числе и Солнце, с самого начала содержат в своем составе и в составе окружающего их газопылевого облака примесь тяжелых элементов.

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела – нейтронной звезды или черной дыры.

Теоретически предсказанные нейтронные звезды, или так называемые пульсары, были открыты в 1967 г. Плотность нейтронных звезд выше, чем плотность белых карликов в миллиарды раз, и достигает 1014–1015 г/см3. При этом начинаются процессы нейтронизации – чудовищное давление внутри звезды «вгоняет» электроны в атомные ядра, и звезды постепенно превращается в гигантскую нейтронную каплю, так что чайная ложка вещества такой звезды весит миллиарды тонн. Температура ее около 1 млрд градусов, а масса заключена между 1,2 и 2,4 массами Солнца. При этом размеры такой звезды составляют всего лишь около 20 км в диаметре. Нейтронные звезды довольно быстро остывают. Меньше ста тысяч лет требуется, чтобы температура нейтронной звезды упала до сотни миллионов градусов.

Нейтронные звезды очень быстро вращаются. Кроме того, они обладают очень мощным магнитным полем, напряженность которого составляет сотни тысяч миллиардов гаусс. Пустота в литровой банке, содержащей внутри себя такое поле, весила бы около тысячи тонн. Столь сильное магнитное поле в сочетании с быстрым вращением нейтронной звезды приводит к тому, что эти звезды испускают радиоволны в виде узких пучков направленного излучения, представляющего повторяющиеся импульсы. Поэтому нейтронные звезды и называют пульсарами. Стареющие нейтронные звезды в некоторых случаях могут стать рентгеновскими пульсарами, излучая не радиоволны, а рентгеновские лучи.

Если масса завершающей свой жизненный путь звезды больше 2–3 масс Солнца, то гравитационное сжатие приведет непосредственно к образованию черной дыры, свойства которой были описаны в общей теории относительности. Если такая звезда является частью системы двойной звезды, то газ с видимой звезды может перетекать к черной дыре, образуя вокруг нее закручивающийся диск. При этом колоссальная кинетическая энергия частиц, разгоняемых тяготением черной дыры, частично переходит в рентгеновское излучение, и по нему черная дыра может быть обнаружена. Возможно, именно черная дыра находится в рентгеновском источнике Лебедь Х-1.

Математический анализ показывает, что черная дыра может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь иной вселенной. Поэтому воображаемый космический путе-шественник мог бы теоретически использовать черную дыру в качестве средства передвижения по вселенным. Такими точками перехода должны быть сингулярности, образующиеся в черной дыре. Правда, возможность такого перехода существует лишь гипотетически, так как любой объект при приближении к черной дыре будет раздавлен приливными гравитационными силами.

Также расчеты показывают, что черные дыры испаряются за счет испускания частиц и излучения, но не из самой черной дыры, а из того пространства, которое находится перед горизонтом черной дыры. При этом, чем меньше черная дыра по массе, тем выше ее температура и тем быстрее она испаряется. Размеры черных дыр могут быть разными: от массы галактики (1044 г) до песчинки массой 10-5 г. Так, черная дыра с массой в 10 масс Солнца испарится за 1069 лет. Поэтому маленьких черных дыр, которые могли образоваться в первые мгновения после Большого взрыва, уже нет, а вот дыры больших размеров вполне могли сохраниться даже в пределах Солнечной системы. Их пытаются найти с помощью гамма-телескопов.

В целом же, по-видимому, на долю черных дыр и нейтронных звезд в нашей Галактике приходится около 100 млн звезд. Экстремальные физические условия в них делают их уникальными естественными лабораториями, дающими обширный материал для исследования физики ядерных взаимодействий, элементарных частиц и теории гравитации.


Планеты Солнечной системы

Планеты Солнечной системы делятся на две группы:

- планеты земной группы (внутренние планеты) – Меркурий, Венера, Земля и Марс;

- внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.


Внешние планеты Солнечной системы

Внешние планеты значительно отличаются по массе, составу и строению от внутренних планет. Они имеют низкую среднюю плотность (0,7–1,7 г/см3), что определяется их газовым составом. Газовые оболочки внешних планет в основном состоят из водорода и гелия. Также все эти планеты имеют большое число спутников.

Юпитер – самая крупная планета Солнечной системы. Его масса в 31 раз больше массы Земли и в 2,3 раза больше массы всех остальных планет, вместе взятых. Практически вся масса Юпитера – это охлажденное солнечное вещество. Поэтому средняя плотность Юпитера – 1,3 г/см3, что немного превышает плотность воды. Считается, что планета состоит из центрального ядра с массой 40 земных масс, которое сложено из твердого каменного материала в уплотненном состоянии. Далее идет обширная зона, состоящая из водорода. Внутренняя часть этой зоны от центра планеты до 40000 км находится под давлением 3 млн атмосфер и при температуре 10000 К. Водород при этих условиях находится в жидком состоянии и приобретает структуру металла. Электрические токи, возникающие в нем, создают мощное магнитное поле планеты.

Внешняя оболочка простирается до 70000 км и также состоит из жидкого водорода. Над ней находится собственно атмосфера Юпитера, состоящая из водорода, гелия, метана и аммиака. Толщина атмосферы составляет 1000 км. Большое семейство спутников Юпитера (15) представляет Солнечную систему в миниатюре. При этом средняя плотность спутников зависит от расстояния от Юпитера, подтверждая закономерность, общую для Солнечной системы.

Сатурн – вторая по величине планета. У нее самая низкая плотность из всех планет (0,7 г/см3), что указывает на ее в основном газовый состав. Поскольку сутки на планете составляют всего
10 часов, из-за быстрого вращения Сатурн сильно сжат у полюсов. Внутреннее строение Сатурна примерно такое же, как у Юпитера. Самым примечательным свойством Сатурна являются кольца, окружающие планету в экваториальной плоскости. Они состоят из мелкого каменного материала, покрытого льдом. Предполагается, что кольца – это остатки того протопланетного роя, из которого возникли спутники Сатурна (всего их 17).

Уран и Нептун – более далекие и хуже изученные планеты. Они имеют более высокую плотность, чем Сатурн, поэтому на них больше веществ, тяжелее водорода и гелия. Эти планеты имеют ядра диаметром 16000 км, которые окружены мантиями, состоящими изо льда, и газовые оболочки из водорода с примесью метана. Уран и Нептун также имеют спутники, но о них нам почти ничего не известно.

Плутон – самая далекая малая планета, не входящая в семейство газовых гигантов. Его размеры соизмеримы с Луной. Температура на его поверхности всего 50 К, поэтому все газы, кроме водорода и гелия, там выморожены. Считается, что поверхность планеты состоит из метанового льда. В 1978 г. был открыт спутник Плутона – Харон. Так же, как и Земля с Луной, Плутон и Харон представляют двойную планетную систему. Интересно, что масса Харона составляет 1/10 массы Плутона, что является самым высоким показателем в Солнечной системе.


Планеты земной группы

Планеты земной группы отличаются от планет-гигантов, а также друг от друга. Среди них нет двух одинаковых планет. Они отличны по размерам, физико-химическим параметрам, строению недр и поверхностей, составам атмосфер. В основном эти различия определены начальными условиями формирования планет – химическим составом, плотностью вещества в тех частях протопланетного облака, где эти планеты формировались. Также на них влияло расстояние от Солнца, резонансное взаимодействие с ним и другими планетами.

Меркурий – ближайшая к Солнцу планета, имеющая самую высокую среднюю плотность. Это указывает на то, что ядро Меркурия состоит из металлов. Поверхность Меркурия напоминает Луну, так как покрыта многочисленными кратерами ударного происхождения. Атмосферы на планете нет. На освещенной стороне температура достигает 625 К, поэтому молекулы газов приобретают скорость, достаточную, чтобы навсегда покинуть планету.

Венера – планета, по своим размерам, массе и средней плотности наиболее близкая к Земле.
У нее самая мощная атмосфера из всех планет земной группы, на 97% состоящая из углекислого газа. Температура у поверхности Венеры достигает 750 К при давлении в 90 атмосфер. На Венере есть кора, аналогичная земной. Внутренняя структура планеты также должна быть похожей на земную – металлическое ядро и силикатная мантия.

Земля – самая крупная из внутренних планет. У нее есть очень крупный спутник – Луна, масса которой составляет 1/81 массы Земли. У Земли очень необычная азотно-кислородная атмосфера, единственная в Солнечной системе. Кроме того, на Земле есть жизнь и разум. Под действием притяжения Солнца Земля, как и другие тела Солнечной системы, обращается вокруг него по эллиптической орбите, мало отличающейся от круговой. Тем не менее расстояние от Земли до Солнца в течение года меняется почти на 5 млн км. Скорость движения Земли по орбите - около 30 км/с. Вместе с Солнцем Земля участвует в движении вокруг центра Галактики со средней скоростью 250 км/с. Если смотреть на Землю, поднявшись над Северным полюсом, то орбитальное движение Земли происходит против часовой стрелки, т.е. в том же направлении, что и осевое вращение Солнца, и осевое вращение Земли, и обращение Луны вокруг Земли. Это называется прямым вращением.

Притяжение Луны создает приливные деформации как атмосферы с гидросферой, так и твердой оболочки Земли. В результате вращение Земли замедляется, а Луна удаляется от Земли. За столетие период вращения Земли вокруг своей оси возрастает на несколько миллисекунд. 500 млн лет назад земные сутки длились около 21 часа.

Так как Земля имеет сплюснутую форму, а орбита Луны не лежит в плоскости земного экватора, притяжение Луны вызывает медленный поворот земной оси в пространстве – прецессию. Полный поворот происходит за 26 тыс. лет. В результате медленно изменяется картина суточного вращения звездного неба. Около 4 тысяч лет назад полюс мира был вблизи Дракона, теперь же он расположен вблизи Полярной звезды, а через 12 тыс. лет «полярной» звездой станет Вега. На это движение помимо прочего накладываются периодические колебания направления оси – нутация, период которой составляет 18,6 года. Вместе это приводит к перемещению географических полюсов по земной поверхности. Сейчас Северный полюс смещается в сторону Северной Америки со скоростью 11 см в год.

Луна – наш спутник и ближайшее к нам космическое тело. Поверхность Луны изучена достаточно хорошо. Она состоит из светлых участков, образованных горными системами, и темных участков – морей. Названия для них были предложены еще в XVII в. На лунной карте есть Море Дождей, Море Ясности, Море Изобилия, Море Спокойствия, Океан Бурь и др. Кроме того, на Луне множество кратеров ударного происхождения, самые крупные из которых называются лунными цирками.

Луна представляет собой сферическое тело, сложенное из силикатного материала и лишенное металлического ядра. Луна состоит из коры мощностью 20–30 км, мантии, достигающей глубины 1000 км, и силикатного ядра радиусом 700 км. Лунная кора похожа на земную океаническую кору, а мантия и ядро отличаются от земных. На Луне отсутствует атмосфера, хотя недавно обнаружена вода в виде льда.

До сих пор загадкой остается происхождение Луны. Приведенная нами выше концепция Альвена–Аррениуса не работает при описании Луны. Поэтому Альвен и Аррениус предположили, что Луна начала формироваться как самостоятельная планета, но ее струйный поток в силу невыясненных обстоятельств располагался в непосредственной близости от более мощного струйного потока Земли. Эти потоки пересеклись, и струйный поток Луны был захвачен струйным потоком Земли. Дальнейшее формирование двух планетных тел шло совместно. Вторжение Луны в окрестности Земли прекратило формирование вторичных тел (по гипотезе Альвена–Аррениуса, должно было образоваться пять небольших спутников), и вместо еще одной внутренней планетной системы появилось сообщество планеты и планетоподобного спутника.

Существуют и другие гипотезы. Еще Дж. Дарвин высказал идею возможного отделения Луны от Земли на ранних этапах ее истории. Также высказывается предположение о захвате Луны, сформировавшейся как планета вблизи Солнца, Землей. Это произошло в результате воздействия Меркурия на орбиту Луны (она имела радиус 0,28 а.е.). При этом Меркурий приобрел сильно вытянутую орбиту, а Луна приблизилась настолько близко к Земле, что была захвачена ей. Есть также интересные гипотезы, которые предлагают рассматривать Меркурий в качестве бывшего планетоподобного спутника Венеры, покинувшего «хозяйку» и поднявшего свой статус до полноправной планеты.

Еще одна группа гипотез предлагает варианты катастрофического происхождения Луны. Возможно, Луна появилась в результате касательного столкновения Протоземли с Протомарсом на заре истории этих планет. При этом произошло отделение громадного куска вещества из того места, где сейчас находится впадина Тихого океана. Отделившийся кусок стал Луной, а потеря Землей части своего вещества привела к наблюдаемому сегодня неравномерному распределению ее массы.

Марс - последняя планета земной группы. Он наиболее удален от Солнца и имеет самую низкую среднюю плотность вещества. Марс значительно меньше Земли и имеет маломощную атмосферу (атмосферное давление на поверхности составляет 6 мм рт. ст.), состоящую из углекис-лого газа. Поэтому поверхность планеты покрыта метеоритными кратерами. На Марсе есть вода, образующая белые полярные шапки. Поверхность Марса имеет характерный красноватый цвет, который придают ей окислы железа. У Марса два спутника – Фобос и Деймос. Они имеют неправильную форму и, возможно, являются захваченными Марсом астероидами.


Сравнительная характеристика планет земной группы

Из всех планет земной группы Земля – самая большая планета. Но как показывают оценки, даже такие размеры и масса оказываются минимальными, при которых планета способна удержать свою газовую атмосферу. Тем не менее Земля теряет водород и другие легкие газы, что заметно по шлейфу, который тянется за нашей планетой. Венера почти равна по размерам и массе Земле, но она ближе к Солнцу и получает от него больше тепла. Поэтому она давно потеряла весь свой свободный водород. У двух других планет атмосфера либо отсутствует (как у Меркурия), либо сохранилась в очень разреженном состоянии (как у Марса).

Наиболее близкие к Солнцу планеты – Меркурий и Венера обладают очень медленным вращением вокруг оси, продолжающимся десятками и сотнями земных суток. Медленное враще-ние этих планет, по-видимому, связано с их резонансным взаимодействием с Солнцем и друг с другом. Земля и Марс делают оборот вокруг своей оси примерно за одинаковое время – 24 часа.

Венера – единственная планета, имеющая обратное вращение, противоположное направлению вращения Солнца вокруг своей оси. Она как бы опрокинута «вверх ногами» на своей орбите.

Из всех планет только Земля обладает сильным магнитным полем, на два порядка превосходящим значения магнитных полей у других планет.

Важнейшей характеристикой любой планеты является наличие (или отсутствие) атмосферы. Три из четырех планет обладают заметной атмосферой. Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других планет: в ней мало углекислого газа, много молекулярного кислорода и паров воды. Это связано с тем, что вода морей и океанов Земли хорошо поглощает углекислый газ, а живое вещество биосферы планеты насыщает атмосферу кислородом, образующимся в ходе процессов фотосинтеза. Подсчеты показывают, что если освободить всю поглощенную водой океанов углекислоту и одновременно убрать из атмосферы кислород, накопленный за счет жизнедеятельности растений, состав земной атмосферы стал бы подобным составу атмосфер Венеры и Марса. Относительно малые размеры Марса не позволили ему удержать плотную атмосферу. Тем не менее раньше она была более плотной из-за процессов активного выделения газов из недр планеты. Тогда, очевидно, условия на планете были более мягкими, без резких перепадов дневных и ночных температур. Сейчас же в разреженной атмосфере Марса возникают настолько мощные пылевые бури, что они поднимают массы песка на высоту многих километров, практически скрывая поверхность планеты от наблюдателей за непроницаемой завесой пыли.

Венера, напротив, имеет очень плотную атмосферу, в основном состоящую из углекислого газа. Возникший из-за этого парниковый эффект разогрел поверхность Венеры до огромных температур. Близость Венеры к Солнцу способствовала быстрой потере водорода, что привело к невозможности появления воды и снижения температуры на поверхности планеты до приемлемого уровня.

На Венере, таким образом, отсутствует гидросфера. Да и в атмосфере пары воды присутствуют в очень незначительном количестве. Причины этого до сих пор неизвестны. Тем не менее существует предположение, что отсутствие гидросферы, очень медленное обратное вращение и отсутствие своего магнитного поля у Венеры являются следствием некоей общей причины, определившей различия в путях развития Венеры и Земли.

На Марсе в прошлом (примерно миллиард лет назад) существовала гидросфера. А три миллиарда лет назад там, возможно, был океан. В наши дни вода на Марсе существует в виде инея и льда в полярных шапках этой планеты. Также вода должна быть на планете в слое вечной мерзлоты. Поэтому на Марсе может существовать жизнь, по крайней мере, в простейших ее формах.

Лишь на Земле гидросфера развита настолько хорошо, что существует в виде Мирового океана, занимающего большую часть поверхности нашей планеты. Поэтому наша планета должна бы называться не Землей, а Океаном.

Существенно отличаются также и рельефы планет земной группы, что связано с различиями в вулканических и геологических процессах на них. Сегодня считается, что тектоническая активность может служить мерилом жизнеспособности планеты в целом. Если тектоническая деятельность отсутствует или значительно сокращается, можно делать вывод об умирании этой планеты. При тектонической деятельности идет активный обмен веществом и энергией между поверхностью и недрами планеты. При этом формируется и поддерживается атмосфера, гидро-сфера и господствующие типы рельефа местности. С прекращением тектонической активности планета превращается в мертвое небесное тело, на котором преобладают процессы деградации.

Земля и в наши дни отличается высокой тектонической активностью, ее геологическая история далека от завершения. Это проявляется в периодически случающихся землетрясениях и извержениях вулканов, иногда носящих катастрофический характер. В прошлом Земля отличалась еще большей геологической активностью. Поэтому современный рельеф Земли продолжает меняться. Огромную роль при этом играет воздействие не только эндогенных (тектонических), но и экзогенных процессов – гидросферных, атмосферных и биосферных. На других планетах такое сочетание факторов отсутствует.

Рельеф земной поверхности отличается глобальной асимметрией. Она хорошо заметна на глобусе при сравнении Северного и Южного полушарий, на котором видно, что участки суши и моря симметричны относительно центра Земли.

Средняя глубина Мирового океана близка к 4 км, хотя отдельные впадины достигают глубины почти в 12 км (Марианская впадина), а некоторые вершины и вулканические конусы значительно выступают над поверхностью воды, образуя целые острова.

Рельеф континентальной части планеты более разнообразен: равнины, возвышенности, плато, горные хребты и огромные горные системы сменяют друг друга. Отдельные участки суши лежат ниже уровня моря (район Мертвого моря, Нидерланды), а некоторые горные вершины достигают высоты почти в 9 км.

Асимметричны не только рельефы, но и тепловые режимы Северного и Южного полушарий. Северное полушарие более теплое, чем Южное. Так, в Северном полушарии температура опускается до –70°С, а в Южном – до –90°С. Кроме того, в Южном полушарии расположен абсолютный полюс ветров (в Антарктиде) и «ревущие сороковые» широты – зона постоянных бурь и ураганов. Неодинаковы и тепловые режимы Западного и Воcточного полушарий. Так, в Америке климат более умеренный, чем в Азии. Это связано с тем, что в Азии горные цепи расположены по параллелям и задерживают перемещение воздушных масс в направлении с юга на север. Поэтому значительная часть азиатской территории содержит многолетнемерзлые грунты.

А в Восточной Сибири зимой обычно устанавливается устойчивый антициклон с низкими температурами. Кроме того, в Западном полушарии больше воды, чем в Восточном. Это также смягчает американский климат.

Рельефы Марса и Венеры формировались в иных условиях, чем на Земле. Отсутствие гидросферы исключает разделение на океанский и континентальный рельефы. Иначе проходила и тектоническая деятельность на этих планетах.

В наши дни на Марсе отсутствует вулканическая активность, хотя еще сто миллионов лет назад она была довольно бурной. От того времени сохранились конусы потухших вулканов, покрытая лавами большая часть поверхности планеты, а также характерные разломы и сбросы марсианской коры.

Одним из следствий затухания вулканической деятельности стало резкое сокращение поступления газов из недр планеты в атмосферу. А поскольку масса Марса недостаточна для удержания плотной атмосферы, она начала редеть. Все говорит о том, что геологическая эволюция Марса завершилась.

У Марса, как и у Земли, наблюдается небольшая асимметрия двух полушарий. Рельеф Северного полушария равнинный, с хорошо выраженными признаками прошлой вулканической деятельности. Здесь располагаются крупнейшие вулканические конусы планеты, в том числе гигантские горы Арсия, Акреус, Павонис и Олимп. Диаметры их оснований достигают 500–600 км, высоты над уровнем поверхности – 26–27 км, диаметры кратеров на вершинах – 60–100 км. Южное же полушарие почти сплошь покрыто кратерами ударного происхождения и напоминает лунный ландшафт. Нет на Марсе ни литосферных плит, ни геосинклинальных областей, присутствующих на Земле.

Поверхность Венеры в основном представляет собой равнину, на фоне которой выделяются две обширные горные области – Земля Иштар и Земля Афродиты. Их средняя высота над равниной – 4 км, простираются они на несколько тысяч километров. Судя по всему, на Земле и Венере шли сходные процессы горообразования: складчатые смятия коры, появляющиеся при горизонтальных сжатиях.

Средний возраст исследованной территории Венеры оценивается в 1 млрд лет. Процессы разрушения поверхностных структур, бурно протекающие на Земле, на Венере идут удивительно медленно: за миллиард лет разрушенный слой не превысил нескольких десятков метров. Подобные темпы разрушения характерны для малых безатмосферных планет типа Меркурия. На Венере причиной такой стабильности является отсутствие гидросферы, окислительной атмосферы, а также тектонической активности в наши дни.

Таким образом, утверждения о том, что Венера – молодая планета, только начинающая свою геологическую историю, неверны. Она уже миновала пору активного планетного развития и в этом отношении близка к Марсу. Сходство Венеры и Марса объяснимо – основным геологообра-зующим процессом на этих планетах была тектоническая активность.

В современную эпоху только Земля остается «живой» планетой, ее геологическое развитие продолжается.

Главным отличием Земли от других планет является хорошо развитая биосфера. Вершиной эволюции жизни на нашей планете стал человек, обладающий разумом.


Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы

Вопросами происхождения планет Солнечной системы занимается космогония. Полного и исчерпывающего ответа на этот вопрос наука не дает. Пока нет возможности проверить выводы современных теорий применительно к какой-либо другой планетной системы. Рассмотрим наиболее известные космогонические гипотезы.

Гипотеза Канта-Лапласа. Кант предположил, что Солнечная система образовалась из космического облака, или «хаоса». Формируясь из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежными силами. Интересно, что Кант изложил эти идеи в трактате, посвященном доказательству бытия Божия. По мнению Канта «Бог вложил в силы природы тайное искусство самостоятельно развиваться из хаоса в совершенное мироздание». У Канта, таким образом, образование планет происходило из холодного газопылевого облака.

Идею Канта поддержал Лаплас, однако, согласно его гипотезе планеты образовались в результате отделения от раскаленного протосолнца газовых колец, их охлаждения и конденсации. Кольца разделялись на несколько масс, образовавших затем разные планеты.

Эта гипотеза получила название небулярной (от лат. nebula – туманность) гипотезы Канта-Лапласа. Поскольку формирование колец и планет происходило в условиях вращения туманности и действия центробежных сил, эта гипотеза называется еще и ротационной (лат. rotatio – вращение).

Гипотеза Джинса. Гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить также и тот факт, что момент количества движения (кинетический момент) планет приблизительно в 29 раз больше момента количества движения Солнца, а это противоречит закону сохранения кинетического момента. Для разрешения этого противоречия появились так называемые «катастрофические гипотезы», к которым относится гипотеза Джинса. Согласно ей некая звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала мощные приливы на нем, принявшие форму газовых струй, из которых впоследствии образовались планеты. Из этой гипотезы следовал вывод об уникальности Солнечной системы.

Гипотеза О.Ю. Шмидта. Советский ученый О.Ю. Шмидт (1891-1956) предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, могло захватить материю, обладающую достаточным моментом количества движения. Расчеты Шмидта, в частности, показали, что начальный период обращения Солнца был очень большим, а затем должен был уменьшиться до 20 суток. В действи-тельности он равен 25 суткам, и такое совпадение считается хорошим.

Ожидается, что новый свет на загадку образования Солнечной системы прольют дальнейшие исследования планет земной группы и планет-гигантов с помощью автоматических космических станций.


Форма и размеры Земли

Долгое время, пока господствовала мифологическая картина мира, Земля считалась плоским диском, стоящим на трех слонах, китах или черепахе и покрытым сверху полукруглым небесным сводом. Лишь в VI в. до н.э. один из основоположников античной науки – Пифагор – высказал

мысль о шарообразности Земли. Вслед за ним в IV в. до н.э. выдающийся античный философ Аристотель также предположил, что Земля является шаром. В качестве аргументов он использовал лунные затмения, которые происходят из-за того, что Земля, встав между Солнцем и Луной, отбрасывает на Луну круглую тень. Кроме того, уже тогда было известно, что в южных странах на небе появляются созвездия, невидимые на севере. Так, постепенно утвердилось представление о том, что Земля – это шар, неподвижно висящий в центре Космоса без всякой опоры, а вокруг него вращаются по идеальным круговым орбитам Луна, Солнце и пять известных тогда планет. Неподвижные звезды замыкали сложившуюся в античности геоцентрическую модель мира.

В 300 г. до н.э. географ Эратосфен достаточно точно определил размеры земного шара. Он заметил, что в день летнего солнцестояния в городе Сиене Солнце находится в зените и освещает дно самого глубокого колодца. Затем он измерил угол падения солнечных лучей в тот же день в Александрии. Зная расстояние между городами, Эратосфен вычислил длину окружности земного шара.

Тем не менее представления о шарообразности Земли во многом вытекали из чисто умозри-тельных рассуждений об идеальных телах. В античности такими телами считались шар, сфера, круг. Поэтому утвердилось убеждение, что в гармоничном, соразмерном Космосе Земля должна иметь форму самой совершенной фигуры – шара. Ничем другим она просто не могла быть.

Лишь с началом эпохи Великих географических открытий шарообразность Земли была подтверждена. В 1522 г. португальский мореплаватель Фернан Магеллан завершил первое кругосветное путешествие, в ходе которого он обогнул всю Землю и доказал наличие единого Мирового океана.

К концу XVII в. сложились две точки зрения по этому вопросу. С одной стороны, И. Ньютон считал, что Земля имеет форму сфероида, несколько сплющенного у полюсов вследствие ее вращения и действия сил притяжения составляющих ее масс (напоминает тыкву). С другой стороны, Р. Декарт, основываясь на теории вихрей, утверждал, что Земля сплющена у экватора и удлинена по направлению к полюсам (похожа на дыню).

Чтобы решить этот вопрос, надо было измерить кусочки дуг меридиана на разных широтах и посмотреть, как соотносятся расстояния, приходящиеся на один градус. В 1735 г. Парижская академия наук отправила с этой целью две экспедиции – одну в Перу, на экватор, другую – в Лапландию, к полюсу. Восемь лет потребовалось ученым, чтобы измерить с помощью сосновых жердей с выверенной длиной в десять метров дугу длиной в три градуса восемь минут. Выяснилось, что чем ближе к полюсу, тем длиннее становился градус.

С тех пор форма Земли уточнялась еще несколько раз. С большой точностью ее удалось определить лишь в XX в. с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли. Сегодня точно известно, что Земля – не вполне правильный шар. Она немного сжата у полюсов и несколько вытянута к Северному полюсу. Такая фигура называется геоид. Термин для обозначения фигуры Земли был введен в 1873 г. немецким физиком И. Листингом. Сжатие у полюсов объясняется вращением Земли вокруг своей оси. Вытянутость Земли к Северному полюсу до сих пор окончательного объяснения не получила.

Окружность Земли по экватору равна 40 075,7 км, окружность по меридиану – 40 008,5 км.

Масса Земли была вычислена на основе закона всемирного тяготения в опытах Г. Кавендиша с крутильными весами, на которых он измерял, с какой силой большой свинцовый шар притягивает к себе маленькие свинцовые шарики, а затем сравнивал эту силу с силой притяжения маленьких шариков Землей, т.е. с их весом. Этот опыт был проведен в 1798 г. Масса Земли оказалась равной 5976 · 1021 кг.

Из приблизительно 510 млн км2 поверхности Земли на долю суши приходится 149 млн км2, или около 29%, так что правильнее было бы назвать нашу планету не Землей, а Океаном.


Современные представления о строении Земли

Замечательный русский ученый К.Э. Циолковский назвал Землю колыбелью человечества. Наша планета – это наш родной дом, в котором мы живем и еще долго будем жить. Поэтому планета Земля вызывает особое отношение у человека. В определенном смысле она выделена самой природой. Из всех планет Солнечной системы только на Земле существуют развитые формы жизни, приведшие к появлению разума. Поэтому нам важно понять, чем Земля отличается от других планет Солнечной системы, каково ее происхождение и строение.

Для этого нужно сопоставить данные о Земле с тем, что нам известно о других планетах, особенно о планетах земной группы. Этими вопросами занимается сравнительная планетология – новое научное направление, возникшее во второй половине XX века.


Образование Земли

Согласно современным космологическим представлениям, Земля образовалась примерно
4,5 млрд лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества, содержащего все известные в природе элементы.


Возраст Земли

Лишь в XX в. удалось установить точный возраст нашей планеты. В этом помогли новые методы, связанные с изучением радиоактивных веществ и их распада. В настоящее время имеется достоверная информация о горных породах с возрастом до 3,5 млрд лет. Однако известные наиболее древние отложения в Австралии соответствуют возрасту 4,2–4,3 млрд лет.

Тем не менее, древнейшие породы по составу и структуре не отличаются от аналогичных пород более молодых геологических эпох. Поэтому у нас нет доказательств того, что обнаруженные древнейшие породы возникли одновременно с образованием Земли как планеты. Первичная земная кора, которая в известной степени соответствовала бы дате завершения образования Земли, уничтожена под действием внешних (ветра, воды, живых организмов) и внутренних (магматической деятельности, переплавления, метаморфизма) геологических агентов. Следовательно, на основании данных о возрасте древнейших минералов и горных пород можно сделать вывод, что возраст Земли превышает 4 млрд лет, и до этой даты наша планета прошла определенный, хотя и неизвестный путь развития.

На возраст Земли также указывают данные исследования метеоритов – твердых тел Солнечной системы. Они относятся к наиболее изученным космическим объектам и несут ценную информацию. Исследования показывают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпадает и составляет примерно 4,5–4,6 млрд лет.

Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород были доставлены на Землю, как с помощью космических станций «Луна», так и экипажами американских космических кораблей «Аполлон». Оказалось, что возраст самых древних лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и составляет 4–4,5 млрд лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня.

Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может считаться случайным, поэтому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,5 млрд лет. К этому времени завершилось формирование нашей планеты.

Сегодня считается, что геологическая история нашей планеты составляет около 4 млрд лет,
а 0,6 млрд лет – это ранняя история Земли.

Ранняя история Земли, как и других планет, включает ранние фазы эволюции – фазу аккреции (рождения), фазу расплавления внешней сферы земного шара и фазу первичной коры (лунную фазу).

Фаза аккреции представляла собой непрерывное выпадение на растущую Землю все большего количества тел, укрупняющихся в своем полете при соударениях между собой, а также в результате притяжения к ним более удаленных мелких частиц. При этом на Землю падали и самые крупные объекты, достигавшие в поперечнике многих километров. В фазу аккреции, которая длилась около 17 млн лет (правда, некоторые исследователи увеличивают этот срок до 400 млн лет), Земля приобрела примерно 95% современной массы.

Однако Земля оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества поверхности планеты.

Фаза расплавления внешней сферы Земли наступила в промежутке 4–4,6 млрд лет назад. В это время произошла общепланетарная химическая дифференциация вещества Земли, которая привела к формированию центрального ядра и обволакивающей его мантии. Позже образовалась и земная кора.

В фазе расплавления внешней сферы поверхность Земли представляла собой океан тяжелого расплава с вырывающимися из него газами. В него продолжали стремительно падать мелкие и крупные космические тела, вызывая всплески тяжелой жидкости. Над раскаленным океаном нависало сплошь затянутое густыми тучами небо, с которого не могло упасть ни капли воды.

Лунная фаза – это время остывания расплавленного вещества поверхности Земли из-за излучения тепла в космос и ослабления метеоритной бомбардировки. Так образовалась первичная кора базальтового состава. Одновременно шло образование гранитного слоя материковой коры. Правда, механизм этого процесса до сих пор не ясен.

В течение лунной фазы поверхность Земли постепенно остывала (от температуры плавления базальтов, составляющей 800–1000°С, до 100°С). Когда температура опустилась ниже 100°С, из атмосферы выпала вся вода, покрывшая Землю: сформировались поверхностные и грунтовые стоки, появились водоемы, в том числе и океан.


Геосферы Земли

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества. Результатом этой дифференциации явилось разделение Земли на геосферы - концентрически расположенные слои, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из мантии, возникла расположенная над мантией земная кора – так называемая «твердая» Земля, заключающая в себе почти всю массу планеты. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей планеты. Кроме того, Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическими полями.

Таким образом, можно выделить ряд геосфер, из которых состоит Земля:

- ядро;

- мантия;

- литосфера;

- гидросфера;

- атмосфера;

- магнитосфера.

Геосферы различаются главным образом плотностью составляющих их веществ. Самые плотные вещества сосредоточены в центральных частях планеты. Ядро составляет 1/3 массы Земли, кора и мантия – 2/3.

Названные нами земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в друга. Гидросфера всегда присутствует в литосфере и атмосфере, атмосфера – в литосфере и гидросфере и т.д.
С атмосферой, гидросферой и литосферой взаимодействуют внутренние оболочки Земли. Кроме того, во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера.

Ядро Земли. Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км и состоит из двух частей – большого внешнего и малого внутреннего ядер. Температура ядра может достигать 4000°С.

Природа внутреннего ядра Земли с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км. Возможно, он состоит из никелистого железа без примесей серы и находится в твердом состоянии из-за огромного давления.

Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость, состоящую из расплавленного железа с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое меньше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2200 км. Жидкое ядро позво-ляет объяснить наличие магнитного поля Земли и его вариаций, когда в геологическом прошлом нашей планеты неоднократно происходила инверсия магнитных полюсов. Предполагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо-машины. Роль подвижного элемента динамо играет жидкое ядро, перемещающееся при вращении Земли вокруг своей оси.

Мантия – наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/3 ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев – нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии – 2000 км, верхней – 900 км. Все слои мантии расположены между радиусами 3450 и 6350 км.

Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. Материал верхней мантии собран со дна разных участков океана. Предполагают, что мантия Земли в основном сложена из силикатов и железа, прежде всего из минерала оливина.

Благодаря высокому давлению вещество мантии, скорее всего, находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии составляет около 2500°С. Именно высокие давления обусловили такое агрегатное состояние вещества, в ином случае указанные температуры привели бы к его расплавлению.

В расплавленном состоянии находится астеносфера – нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем. В целом же верхняя мантия обладает интересной особенностью – по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам – как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера. В целом литосфера, астеносфера и остальные мантии могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относительно других компонентов.

Литосфера – это земная кора с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но и большой хрупкостью. В верхней части, она слагается гранитами, в нижней – базальтами.

Резкая асимметрия строения поверхности нашей планеты была замечена давно. Поэтому планетарный рельеф делится на две основные области - океаническую и континентальную. Дно океанов и континенты отличаются друг от друга строением земной коры, химическим и петрографическим составом, а также историей геологического развития. Кора имеет повышенную мощность в области континентов и пониженную в областях океанического дна.

Средняя мощность континентальной коры – 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, нижний – базальтовыми магмами. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора состоит только из базальтового слоя. Ее мощность – 5–10 км. Кроме того, континентальная кора содержит больше радиоактивных элементов, генерирующих тепло, чем тонкая океаническая кора.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном слагается из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом в виде окислов металлов.

Первые порции вулканического материала имели состав базальтов или состав, близкий к нему. Базальтовая магма, поднимаясь к поверхности, теряла газы, уходившие в атмосферу, превращалась в базальтовую лаву, которая растекалась по первичной поверхности планеты. При остывании она превращалась в твердые покровы, образующие первичную кору океанического типа. Однако процесс выплавления этих масс был асимметричным, и на одном полушарии планеты их сосредоточилось больше, чем на другом. В областях будущих континентов молодая земная кора была динамически неустойчивой и перемещалась вверх и вниз под влиянием внутренних причин, о природе которых мы знаем еще недостаточно. При общих колебательных движениях части первичной коры временами оказывались выше уровня океана и подвергались разрушению под влиянием химически активных газов первичной атмосферы, воды, а также других физических агентов. Продукты разрушения сносились в пониженные участки суши и водоемы, образуя осадочные породы с механической сортировкой частиц по величине и минералогическому составу. Еще более активно эти процессы пошли с появлением биосферы. Области поднятия суши – места будущих континентов – стали обрастать поясами мощных толщ осадочных пород, возникших за счет разрушения более приподнятых участков суши. Эти пояса впоследствии подвергались складчатости и поднятиям, в них проявлялась вулканическая деятельность. Возникли древние горные цепи вокруг ядер материков, впоследствии также разрушенные геологическими агентами. Так формировалась континентальная часть земной коры.

Океаническая часть, вероятно, редко или совсем не выступала выше уровня Мирового океана, и в ней не происходили процессы дифференциации вещества, не шли отложения осадочных пород.

Геологические особенности коры определяются совместными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы – трех самых внешних оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной поверхности полностью обновляется за 80–100 млн лет. Убыль вещества континентов воспол-няется поднятиями их коры. Если бы не было этих поднятий, то за несколько геологических периодов вся суша была бы снесена в океан и наша планета покрылась бы сплошной водной оболочкой.

Не следует забывать и о том, что поверхность Земли сложилась из литосферных плит, число и положение которых менялось от эпохи к эпохе. Плита – это вся масса коры и подстилающей мантии, которая движется как единое целое по поверхности Земли. Сегодня выделяют
8–9 больших плит и более 10 малых. Плиты медленно перемещаются горизонтально (глобальная тектоника плит). В районах рифтовых разломов (т.е. границ литосферных плит), где вещество мантии выносится наружу, плиты расходятся, а в местах, где горизонтальные смещения соседних плит оказываются встречными, они надвигаются друг на друга. Вдоль границ литосферных плит расположены зоны повышенной тектонической активности. При движении плит сминаются их края, образуя горные хребты или целые горные области. Океанические плиты, берущие свое начало в рифтовых разломах, наращивают толщину по мере приближения к континентам. Они уходят под островные дуги или континентальную плиту, увлекая за собой накопившиеся осадочные породы. Вещество погружающейся плиты достигает в мантии глубин до 500–700 км, где оно начинает плавиться.

На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва.

Основоположник почвоведения русский ученый В.В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Таким образом, почва – это сложнейшая система, стремящаяся к равновесному взаимодействию с окружающей средой.

Гидросфера (от греч. Hydor - вода + Sphaira) - шар водная оболочка Земли, включающая все воды, находящиеся в жидком, твердом и газообразном состояниях. Гидросфера включает воды океанов, морей, подземные воды и поверхностные воды суши. Некоторое количество воды содержится в атмосфере и в живых организмах.

Водная оболочка Земли представлена на нашей планете Мировым океаном, пресными водами рек и озер, ледниковыми и подземными водами. Общие запасы воды на Земле составляют
1,5 млрд км3. Из этого количества воды 97% приходится на соленую морскую воду, 2% составляет замерзшая вода ледников и 1% – пресная вода.

Гидросфера – это сплошная оболочка Земли, так как моря и океаны переходят в подземные воды на суше, а между сушей и морем идет постоянный круговорот воды, ежегодный объем которого составляет 100 тыс. км3. Большая часть испаренной с поверхности морей и океанов воды выпадает в виде осадков над ними же. Около 10% испаренной воды уносится на сушу, падает на нее, а затем или реками уносится в океан, или уходит под землю, или консервируется в ледниках. Круговорот воды в природе не является совершенно замкнутым циклом. Сегодня доказано, что наша планета постоянно теряет часть воды и воздуха, которые уходят в мировое пространство. Поэтому с течением времени встанет проблема сохранения воды на нашей планете.

Вода – вещество, обладающее многими уникальными физическими и химическими свойствами. Она обладает высокой теплоемкостью, теплотой плавления и испарения и в силу этих качеств является важнейшим климатообразующим фактором на Земле. Вода является хорошим растворителем, поэтому в ней содержится множество химических элементов и соединений, необходимых для поддержания жизни. Не случайно именно Мировой океан стал колыбелью Жизни на нашей планете.

Большую часть поверхности Земли занимает Мировой океан (71% поверхности планеты). Он окружает материки (Евразию, Африку, Северную и Южную Америку, Австралию и Антарктиду) и острова. Океан делится материками на четыре части: Тихий (50% площади Мирового океана), Атлантический (25), Индийский (21) и Северный Ледовитый (4%) океаны. Средняя глубина вод океана составляет 3,8 км. Наиболее глубокая часть океана – Марианская впадина в Тихом океане с глубиной 11022 м. Посреди океанов проходят рифтовые хребты общей протяженностью до 60 тыс. км. Они состоят из отдельных гор высотой до 2,5 км, разделенных глубокими расщелинами.

Средняя соленость вод Мирового океана составляет 3,5%. Среднегодовая температура поверхности вод океана равна 17,5°С. Теплее всего вода у экватора (28°С), холоднее всего – у полюсов (до – 1,9°С). Мировой океан часто называют «печкой планеты». В теплый сезон вода согревается медленнее суши, поэтому она охлаждает воздух. Зимой происходит обратный
процесс - теплая вода согревает холодный воздух.

В Мировом океане постоянно происходят поступательные движения масс воды – морские течения. Они образуются под влиянием господствующих ветров, приливных сил Луны и Солнца, а также из-за существования слоев воды разной плотности. Под влиянием вращения Земли все течения в Северном полушарии отклоняются вправо, а в Южном полушарии – влево. По располо-жению течения бывают поверхностными, подповерхностными, глубинными и придонными. По стабильности выделяют постоянные, временные и периодические (приливы и отливы) течения. Примером постоянных течений являются Северные и Южные Пассатные течения. Из низких широт в высокие движутся теплые течения (Гольфстрим), а из высоких широт в низкие – холодные течения (Лабрадорское, Курильское).

Огромную роль в морях и океанах играют приливы и отливы, вызывающие периодические колебания уровня воды и смену приливных течений. В открытом океане высота прилива достигает 1 м, у берегов – до 18 м. Самые высокие приливы наблюдаются у берегов Франции (14,7 м) и в Англии в устье реки Северн (16,3 м), в России – Мензенском заливе Белого моря (10 м) и Пенжинской губе Охотского моря (11 м).

Важной частью гидросферы Земли являются реки – водные потоки, текущие в естественных руслах и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока с их бассейнов. Реки с притоками образуют речную систему. Течение и расход воды в них зависит от уклона русла. Обычно выделяют горные реки с быстрым течением и узкими речными долинами и равнинные реки с медленным течением и широкими речными долинами.

Реки являются важной частью круговорота воды в природе. Их суммарный годовой сток в Мировой океан составляет 38,8 тыс. км3. Реки – это источники питьевой и промышленной воды, источник гидроэлектроэнергии. В реках живет большое количество растений, рыб и других пресноводных организмов. Самые большие реки на планете – Амазонка, Миссисипи, Енисей, Лена, Обь, Нил, Амур, Янцзы, Волга.

Озера и болота – также часть гидросферы Земли. Озера – это водоемы, вся поверхность которых открыта атмосфере и которые не имеют уклонов, создающих течения, а также не связаны с морем иначе, чем через реки и потоки. Понятие «озера» включает в себя большой круг водоемов, в том числе пруды (небольшие мелкие озера), водохранилища, а также болота и трясины со стоячей водой. По происхождению озера могут быть ледниковыми, проточными, термокарс-товыми, солеными. С геологической точки зрения озера имеют малую продолжительность жизни. Как правило, они постепенно исчезают из-за нарушения равновесия между притоком и стоком воды из озера. К числу крупнейших озер относятся: Каспийское и Аральское моря, Байкал, озера Верхнее, Гурон и Мичиган в США и Канаде, Виктория, Ньянза и Танганьика в Африке.

Еще одна часть гидросферы – подземные воды. Это все воды, находящиеся под земной поверхностью. Существуют подземные реки, свободно текущие по подземным каналам – трещинам, пещерам. Есть также фильтрующиеся воды, просачивающиеся через рыхлые породы (песок, гравий, гальку). Самый ближний к поверхности земли горизонт подземных вод называют грунтовыми водами.

Подземные воды могут иметь атмосферное происхождение. Также источником подземных вод могут быть пары воды раскаленной магмы – т.е. ювенильные воды.

Вода, попавшая в грунт, доходит до водоупорного слоя, накапливается на нем и пропитывает вышележащие породы. Так образуются водоносные горизонты, могущие служить источниками воды. Иногда водоупорный слой может создавать вечная мерзлота.

Ледники, образующие ледяную оболочку Земли (криосферу), также являются частью гидро-сферы нашей планеты. Они занимают площадь, равную 16 млн км2. Это 1/10 часть поверхности планеты. Именно в них содержатся основные запасы пресной воды (3/4). Если бы льды, находящиеся в ледниках, вдруг растаяли, уровень Мирового океана повысился бы на 50 метров.

Ледяные массивы образуются там, где возможно не только накопление снега, выпавшего на зиму, но и сохранение его в течение лета. Со временем такой снег уплотняется до состояния льда и может закрыть собой всю местность как ледниковый покров или ледяная шапка. Места, где может происходить накопление многолетнего льда, определяются географической широтой и высотой над уровнем моря. В полярных районах граница многолетнего льда лежит на уровне моря, в Норвегии – на высоте 1,2–1,5 км над уровнем моря, в Альпах - на высоте 2,7 км,
а в Африке – на высоте 4,9 км.

Гляциологи различают материковые покровы, или щиты, и горные ледники. Самые мощные материковые ледниковые покровы расположены в Антарктиде и Гренландии. В некоторых местах толщина льда достигает там 3,2 км. В некоторых местах он постепенно сползает к океану, рождая ледяные горы – айсберги. Горные ледники – это ледяные реки, спускающиеся по склонам гор, хотя их движение идет очень медленно – со скоростью от 3 до 300 м в год. При своем движении ледники меняют картину ландшафта, увлекая за собой валуны, обдирая склоны гор и обламывая при этом значительные куски породы. Продукты разрушения уносятся ледником по склону и оседают по мере его таяния.

Частью криосферы Земли помимо ледников являются твердые толщи горных пород и относи-тельно сухие воздушные массы с отрицательной температурой, в которых естественными или искусственными путями могут создаваться условия для конденсации воды. На Земле широко распро-странены многолетнемерзлые грунты (вечная мерзлота), являющиеся частью криосферы планеты. Толщина таких грунтов в среднем достигает 50–100 м, а в Антарктиде – 4 км. Вечная мерзлота занимает огромные территории в Азии, Европе, Северной Америке и Антарктиде, ее общая площадь составляет 35 млн км2. Вечная мерзлота возникает в местах, где среднегодовые темпе-ратуры имеют отрицательные значения. В ней содержится до 2% общего объема льда на Земле.

Атмосфера. Атмосфера – это воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. Она состоит из воздуха – смеси газов, состоящей из 78% азота, 21% кислорода,
а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около
1% объема. Кроме того, воздух содержит большое количество пыли и различных примесей, порождаемых геохимическими и биологическими процессами на поверхности Земли.

Масса атмосферы довольно велика и составляет 5,15 · 1018 кг. Это значит, что каждый кубический метр окружающего нас воздуха весит около 1 кг. Вес всего этого воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм, или 760 мм рт. ст. Это означает, что на каждый квадратный сантиметр нашего тела давит груз атмосферы массой в 1 кг. С высотой плотность и давление атмосферы быстро убывают.

В атмосфере есть районы с устойчивыми минимумами и максимумами температур и давлений. Так, в районе Исландии и Алеутских островов располагается такая область, являющаяся традиционным местом рождения циклонов, определяющих погоду в Европе. А в Восточной Сибири область низкого давления летом сменяется областью высокого давления зимой.

Неоднородность атмосферы вызывает перемещение воздушных масс – так появляются ветры. Кроме того, на направления ветров влияет вращение Земли, а также разнообразный рельеф нашей планеты. Основная масса воздуха перемещается от экватора к полюсам. В экваториальной области с ее высокими температурами обычно держится низкое давление, что вызывает подъем воздуха вверх. Обычно в этих районах господствуют штили и слабые переменные ветры. Поднимаясь, восходящие токи воздуха охлаждаются, конденсируют влагу и проливаются ливнями. После этого воздух движется на север и юг от экватора, несколько раз опускаясь и поднимаясь при этом. Охлажденный у полюсов воздух возвращается назад, к экватору.

В тропических областях преобладают восточные ветры. В Северном полушарии Земли господствуют северо-восточные пассаты, в Южном полушарии - юго-восточные пассаты. По мере удаления к полюсам начинают доминировать западные ветры. Внутри этих потоков вращаются вихри – области низкого давления. Когда они сталкиваются с воздухом, нагретым у поверхности Земли, то поднимаются вверх и порождают облака и дожди.

Атмосфера Земли имеет слоистое строение, причем слои отличаются по физическим и химическим свойствам. Важнейшими физическими свойствами являются температура и давление, изменение которых лежит в основе выделения атмосферных слоев. Таким образом, в атмосфере Земли выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера – это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина – 10–18 км. С высотой падает давление и температура, опускаясь до –55°С. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака и формируются все виды осадков.

Облака состоят из капель воды или кристаллов льда, взвешенных в воздухе. Облака различаются по форме и высоте расположения над Землей. Метеорологи выделяют облака нижнего яруса, образующиеся не выше 2 км. На этом уровне возникают следующие виды облаков: кучевые – отдельные облака, верхние контуры которых постоянно меняют свои очертания; кучево-дождевые – они несут ливни, грозу, град, снежные заряды; слоистые – отдельные облака или широкая полоса низких серых облаков, несущие морось или изморозь; слоисто-кучевые – облака с четко очерченными краями. На высоте 2–7 км находятся облака среднего яруса, среди которых выделяют высоко-кучевые, высоко-слоистые и слоисто-дождевые облака. На высоте более 5 км располагаются облака верхнего яруса – перистые, перисто-слоистые и перисто-кучевые. Они похожи на птичьи перья, полосы или ленты белого цвета и состоят из ледяных кристаллов.

Следующий слой атмосферы – это стратосфера, простирающаяся до 50 км в высоту. Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры из-за поглощения солнечного излучения озоном.

Ионосфера – эта часть атмосферы начинается с высоты 50 км и состоит из ионов – электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием Солнца. Ионосфера обладает повышенной электропроводностью и в силу этого отражает короткие радиоволны, позволяя осуществлять дальнюю связь.

С высоты в 80 км начинается мезосфера, роль которой состоит в поглощении озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца.

На высоте 90–400 км находится термосфера. В ней происходят основные процессы погло-щения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений. На высоте более 250 км постоянно дуют ураганные ветры, причиной которых считают космические излучения.

Верхняя область атмосферы, простирающаяся от 450–800 км до 2000–3000 км, называется экзосферой. В ней содержится атомарный кислород, гелий и водород. Часть этих частиц постоянно уходит в мировое пространство.

Результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере Земли является климат нашей планеты. Это не то же самое, что погода, которая может меняться каждый день. Погода очень изменчива и зависит от колебаний тех взаимосвязанных факторов, в результате которых она формируется, как-то: температура, ветры, давление, осадки. Погода в основном является результатом взаимодействия атмосферы с сушей и океаном.

Климат – это состояние погоды какого-то региона за длительный промежуток времени.

Он формируется в зависимости от географической широты, высоты над уровнем моря, воздушных потоков. Меньше влияют рельеф и тип почвы. Выделяют ряд климатических зон мира, обладающих комплексом сходных характеристик, относящихся к сезонным температурам, количеству осадков и силе ветра:

- зона влажного тропического климата – среднегодовые температуры больше 18°С, холодов не бывает, осадков выпадает больше, чем испаряется воды;

- зона сухого климата – область малого количества осадков; сухой климат может быть жарким, как в тропиках, или свежим, как в континентальной Азии;

- зона теплого климата – средние температуры в самое холодное время здесь не опускаются ниже –3°С, и хотя бы один месяц имеет среднюю температуру больше 10°С, хорошо выражен переход от зимы к лету;

- зона холодного северного таежного климата – в холодное время средняя температура опускается ниже –3°С, но в теплое время она выше 10°С;

- зона полярного климата – даже в самые теплые месяцы средние температуры здесь ниже 10°С, поэтому в этих районах прохладное лето и очень холодные зимы;

- зона горного климата – районы, отличающиеся по климатическим характеристикам от той климатической зоны, в которой они находятся. Появление таких зон связано с тем, что с высотой падают температуры и сильно меняется количество осадков.

Климат Земли имеет ярко выраженную цикличность. В нем можно выделить периоды «космических зим», возникающих в связи с обращением Солнца вокруг центра Галактики через 180–200 млн лет. Также выделяют макроритмы, периодичность которых составляет 40 тыс. лет, и мезоритмы – с периодом около 2 тыс. лет. Изменения климата, происходящие каждые 11 лет, относят к микроритмам. Все эти ритмы связаны с изменениями амплитуд температур.

Самым известным примером цикличности климата являются периодически случавшиеся на Земле оледенения. За два последних миллиона лет наша планета пережила от 15 до 22 ледниковых периодов. Об этом свидетельствуют исследования осадочных пород, накопившихся на дне океанов и озер, а также исследования образцов льда из глубин Антарктического и Гренландского ледниковых покровов. Так, в последний ледниковый период Канада и Скандинавия были покрыты гигантским ледником, а Северо-Шотландское нагорье, горы Северного Уэльса, Альпы имели огромные ледяные шапки.

Сейчас мы живем в эпоху глобального потепления. С 1860 г. средняя температура Земли поднялась на 0,5°С. В наши дни увеличение средних температур идет еще более быстрыми темпами. Это грозит серьезнейшими изменениями климата на всей планете и другими, подчас непредсказуемыми последствиями.

Магнитосфера – самая внешняя и протяженная оболочка Земли. Она представляет собой область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. С дневной стороны она простирается на 8–24 земных радиусов, с ночной – доходит до нескольких сотен радиусов и образует магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса.

Магнитное поле Земли образуется во внешней оболочке ядра благодаря циркуляции огромных электрических токов. Поэтому Земля представляет собой огромный магнит с четко выраженными магнитными полюсами. Северный магнитный полюс находится в Северной Америке на полуострове Ботия, Южный магнитный полюс – в Антарктиде на станции Восток.

Сегодня установлено, что магнитное поле Земли не является неизменным. Его полярность менялась несколько раз. Так, 30000 лет назад Северный магнитный полюс находился на Южном полюсе. Кроме того, периодически происходят возмущения магнитного поля – магнитные бури, из-за которых возникают серьезные радиопомехи. Их главной причиной является колебание солнечной активности. Поэтому особенно часты магнитные бури в годы активного Солнца, когда на нем появляется много пятен, а на Земле возникают полярные сияния.

Все геосферы Земли тесно взаимодействуют друг с другом путем непрерывного обмена веществом и энергией и в совокупности представляют географическую оболочку планеты. Ее целостность обеспечивается за счет лучистой энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

Помимо вертикального строения географический оболочки Земли, рассмотренного выше, выделяют ее горизонтальную структуру – физико-географические (природные) пояса планеты. Они отличаются друг от друга режимом тепла и влаги, особенностями циркуляции воздушных масс и морских течений, а также составом флоры и фауны.

Выделяют несколько физико-географических поясов:

- экваториальный пояс расположен по обе стороны от экватора от 5–8° северной широты до 4–11° южной широты. Здесь постоянно тепло (в среднем 24–28°С), выпадает много осадков. Широко распространены многоярусные леса с огромным количеством видов растений и животных;

- субэкваториальные пояса Северного и Южного полушарий отличаются высокими темпе-ратурами (до 22–25°С) и сменой сухих и влажных сезонов. Распространены саванны и листопадные леса;

- тропические пояса Северного и Южного полушарий располагаются между 20 и 30° северной и южной широты. Средние температуры доходят летом до 35°С, а зимой не опускаются ниже 10°С. В более влажных районах находятся саванны и листопадные леса, в сухих районах – пустыни и полупустыни;

- субтропические пояса расположены в Северном и Южном полушариях на участках 30–42° северной и южной широты. В этих поясах отчетливо проявляются сезонные ритмы, когда тропи-ческий климат сменяется умеренным, поэтому средние температуры летом выше 20°С, а зимой – 4°С, хотя могут быть и морозы до –10°С. В Северном полушарии это область жестколиственных лесов и полупустынь, в Южном – область вечнозеленых и широколиственных лесов;

- умеренные пояса располагаются дальше на север и юг. В Северном полушарии – это суша, в Южном – море. В этих поясах зимой лежит снег, хорошо представлены все четыре времени года. Это область распространения последовательно сменяющих друг друга пустынь, полупустынь, степей, лесостепей, широколиственных, смешанных и хвойных лесов;

- субарктический пояс находится в Северном полушарии и включает в себя зоны тундры и лесотундры;

- арктический (антарктический) пояса – это большая часть Арктики и Антарктики. На суше – это область ледяных пустынь, моря также покрыты устойчивыми льдами, поэтому флора и фауна этих поясов не слишком богата.


Химическая эволюция Земли

В процессе эволюции Земли складывались определенные пропорции различных элементов.
В веществе планет, комет, метеоритов, Солнца присутствуют все элементы периодической системы, что доказывает общность их происхождения, однако количественные соотношения различны. Количество атомов какого-либо химического элемента в различных природных системах принято выражать по отношению к кремнию, поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим соединениям.

С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает, но не равномерно. Примечательно, что элементы с четным порядковым номером, особенно элементы с массовым числом кратным 4 более распространены. К ним, в частности, относятся: He, Cо, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. Дело в том, что этим массовым числам соответствуют устойчивые ядра. Американские космохимики Г. Юри и Г. Зюсс писали по этому поводу следующее: “...распространенность химических элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами, и окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, из которого оно было создано”.

К важнейшим свойствам Земли, определяющим ее происхождение и химическую эволюцию, относится радиоактивность. Все первичные планеты были сильно радиоактивны. Нагреваясь за счет энергии радиоактивного распада, они подвергались химической дифференциации, которая завершилась формированием внутренних металлических ядер у планет земной группы.

Литофильные элементы, т.е. элементы, образующие твердые оболочки планет (Si, O, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K) переходили вверх, выделение газов из расплавленного вещества мантий при выплавлении легкоплавких фракций, приводила к базальтовым расплавам, которые также изливались на поверхность планет. Газовые компоненты, вырывающиеся вместе с ними, дали начало первичным атмосферам, которые смогли удержать только сравнительно крупные планеты, к которым относилась и Земля. Схема формирования структуры Земли показана на рис.1.

Рис. 1. Схема формирования структуры Земли

Земля прошла сложнейший путь химической эволюции. Ею были усвоены и сложные органические соединения, обнаруженные также и в метеоритном веществе. Эти вещества образовались еще на последних стадиях остывания протопланетного облака. Впоследствии на Земле они привели к возникновению жизни.

Геохронология. Русский геохимик А.Е. Ферсман (1883-1945) разделил время существования атомов Земли на три эпохи:

- эпоху звездных условий существования;

- эпоху начала формирования планет;

- эпоху геологического развития.

Для обозначения времен и последовательности образования горных пород Земли в эпоху ее геологического развития принят термин геохронология.

Геохронология – (от греч. Geо - земля + Chronos - время + Logos - слово, учение) геологи-ческое летоисчисление, построенное на учении о временной последовательности формирования горных пород, слагающих земную кору. Различают относительную и изотопную геохронологии. Геохронология базируется на абсолютном летоисчислении в тысячах и миллионах лет, опирающемся на знание скорости распада радиоактивных элементов.

В 1881 г. в Болонье на Международном геологическом конгрессе были введены термины эра, эпоха, период, век, время и принята геохронологическая шкала.

Следует подчеркнуть, что геологическая история Земли неотделима от ее биологической эволюции, она совершилась в тесной связи и под влиянием развивающейся жизни. Эти связи отражены и в геохронологии.

По степени изученности геологической и биологической истории Земли, все время ее существования делится на две неравные части:

1. Криптозой (criptos – тайный), эта часть охватывает огромный интервал времени (от 570 до 3800 млн лет назад). Это период со скрытым развитием органической жизни, включающая архейскую и протерозойскую эры.

2. Фанерозой (греч. рhaneros “явный” + zoe “жизнь”), более поздняя составляющая 570 млн лет и включающая палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры;

Поворотной точкой в истории биологической эволюции Земли явился кембрийский период палеозойской эры. Если докембрийская эпоха была временем единоличного господства однокле-точных организмов, то послекембрийская стала эпохой многоклеточных форм. В кембрийский период впервые в истории эволюции возникли многоклеточные организмы современного типа, сложились все основные характеристики тех телесных "планов", по которым эти организмы строятся до сих пор, были заложены предпосылки будущего выхода этих организмов из морей на сушу и завоевания ими всей поверхности Земли.

До сих пор представляется загадочным тот факт, что появление новых форм не растянулось на всю кембрийскую эпоху или хотя бы значительную ее часть, а произошло почти одновременно, в течение каких-нибудь трех-пяти миллионов лет. В геологических масштабах времени это совершенно ничтожный срок - он составляет всего одну тысячную от общей длительности эволюции. Этот эволюционный скачок получил название "Кембрийский взрыв".


Природные ресурсы и их использование

Жизнь человека на Земле обеспечивается пищевыми, минеральными и энергетическими ресурсами планеты. Природные ресурсы делятся на две группы: исчерпаемые и неисчерпаемые ресурсы.


Неисчерпаемые природные ресурсы

Неисчерпаемых природных ресурсов не так уж много. К ним относятся энергия солнечной радиации, морских волн, ветра. Условно неисчерпаемыми считаются воздух и вода.

Атмосфера нашей планеты очень велика – ее вес составляет около 5000 трлн т. На каждого жителя нашей планеты приходится по 2,5 млн т воздуха. Но особую важность для человека имеет кислород, который очень активно расходуется в последнее время. Считается, что за последние сто лет уничтожено 245 млрд т кислорода, а вместо него в атмосферу поступило 3000 млрд т углекислого газа. Это не удивительно, ведь кислород используется не только для дыхания (каждый человек за сутки потребляет около 300 л кислорода), но и в промышленности, сгорая в фабричных печах, двигателях кораблей, автомобилей, самолетов и т.д. Так, для перелета через Атлантику один самолет использует до 150 т кислорода.

Поэтому все большую опасность представляет загрязнение воздуха, от которого больше всего страдают жители больших городов и промышленных центров. Смог над ними может держаться на высоте до 2,5 км. Если за минуту житель села вдыхает около 40 млн частиц пыли, то житель города за то же время – миллиарды пылинок, вызывающих болезни и смерть.

Сегодня развитые страны потребляют больше кислорода, чем его производят растения на их территории. И тем не менее доля кислорода в атмосфере не снижается. Считается, что помимо фотосинтеза, еще одним источником кислорода на Земле является водяной пар, разлагающийся в верхних слоях атмосферы на кислород и водород под действием ультрафиолетовых лучей.

Серьезной проблемой становится повышение содержания углекислого газа в атмосфере, приводящее к «парниковому эффекту». Атмосфера пропускает солнечную радиацию и удерживает тепло у Земли, действуя как стекло или пленка в теплице. Углекислый газ при этом повышает отражающую способность атмосферы. Если содержание углекислого газа в атмосфере увеличится до 0,04%, этого будет достаточно для повышения температуры на всей планете. Глобальное потепление вызовет таяние льдов и изменение климата на Земле. Как считают эксперты, уже к середине века потепление климата сделается вполне ощутимым. Расчеты показывают, что в экваториальной зоне заметного потепления не произойдет, но в полярных областях температура вырастет весьма существенно. Это заметно скажется на состоянии ледового покрова, особенно в Арктике (там он может даже исчезнуть), на положении границы тундры и вечной мерзлоты.

Но самое главное следствие уменьшения разности температур между полярными и экваториальными зонами – изменение структуры атмосферной циркуляции. Сейчас нагретый на экваторе воздух поднимается вверх, движется к полярным зонам и, охлаждаясь, опускается в приземные слои. Затем вдоль поверхности Земли воздух возвращается к экватору. За счет этого происходит основной перенос влаги, испаряющейся над океанами, на континентальную часть планеты. Изменение теплового баланса приведет к уменьшению интенсивности этого переноса, количество влаги, переносимой в глубину континента, может заметно уменьшиться, что резко расширит область пустынь и полупустынь. Уменьшится также и область засушливых земель, дающих сегодня основное количество зерна, что снизит общую продуктивность растительного покрова на континентах. И такой эффект может произойти даже несмотря на значительное увеличение содержания углекислоты в атмосфере, являющейся пищей растений.

Но и это еще не все. Если рост поступления в атмосферу парниковых газов сохранится, то уже в ближайшие десятилетия из-за таяния полярных льдов и теплового расширения воды на десятки сантиметров поднимется уровень Мирового океана, в результате чего окажутся затопленными Япония, Нидерланды, север Евразии и другие прибрежные территории. Это тоже внесет немалые осложнения в жизнь планетарного сообщества. Изменится положение границ, разделяющих природные зоны «степь – тайга» и «тайга – тундра». Потребуется перестройка всей структуры сельскохозяйственного производства.

Очень важной частью атмосферы Земли является озоновый экран, который находится в полосе от 25 до 60 км над Землей. 5 млрд т озона окружают Землю и защищают ее от губительной ультрафиолетовой радиации Солнца. Но в последнее время интенсивная техническая деятельность человека, в том числе, использование хлорфторуглеводородов и других газов, содержащих хлор, в аэрозолях, холодильниках, кондиционерах, в химической промышленности, ведет к разрушению озонового экрана. Это очень опасно, так как сильное ультрафиолетовое излучение вызывает увеличение количества заболеваний раком кожи, наносит серьезный ущерб растительности, планктону в морях и океанах. Считается, что уменьшение озонового экрана всего на 1% ведет к росту числа раковых заболеваний кожи на 5–7%. К концу XX в. в Северном полушарии содержание озона в стратосфере уменьшилось в среднем на 3% над территориями Северной Америки и Европы.

Серьезные изменения деятельность человека вызвала и в гидросфере. Напомним, что поверхность Мирового океана составляет 71% всей площади земного шара. Океан – огромная фильтрующая система Земли, а также крупнейший носитель энергии. Он определяет направления ветров, количество кислорода, поступающего в атмосферу, и многие другие явления.

Масштабы использования водных ресурсов быстро увеличиваются. Это связано с ростом населения и улучшением санитарно-гигиенических условий жизни человека, развитием промышленности и орошаемого земледелия. Суточное потребление воды на хозяйственно-бытовые нужды в городах составляет 150 л на человека. Огромное количество воды используется в промышленности. Так, для выплавки 1 т стали требуется 200 м3100 м3 и т.д. Промышленность поглощает 85% всей воды, расходуемой в городах, оставляя на хозяйственно-бытовые нужды всего 15%. Постоянное увеличение водопотребления на планете ведет к опасности «водного голода». воды, для производства 1 т бумаги –

Поэтому большую тревогу вызывает загрязнение Мирового океана, которое происходит в огромных масштабах. В реки, озера, моря и океаны планеты ежегодно сбрасывается до 7000 млрд м3 неочищенных сточных вод, которые содержат около 300 млн тонн железа, 6,5 тыс. т фосфора,
2,3 млн тонн свинца, 7 тыс. т ртути и множество других токсичных веществ. Попадание в воду химических соединений калия, фосфора, азота способствует бурному размножению некоторых бактерий и водорослей, приводящих к истощению запасов кислорода.

Огромный вред наносят кислотные дожди, впервые обнаруженные в 50-е годы XX в. после создания Европейской системы контроля химического состава атмосферы. Их появление связано с увеличением использования минерального топлива. Дожди по своей природе уже обладают кислотностью, так как впитывают углекислоту из углекислого газа, содержащегося в атмосфере. Соответственно, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере ведет к росту кислотности осадков. В некоторых районах уровень кислотности достигает рН=3 при норме 5,6 рН, а уровень рН чистой воды равен 7.

Шкала рН – шкала кислотности (основности) водных растворов. Шкала насчитывает деления от 0 – кислая среда, до 14 – щелочная среда; нейтральная среда имеет рН=7.

Иными словами, дождь при уровне рН=7 представляет собой разбавленный уксус.
В результате 70% озер Южной Норвегии, где показатель рН ниже 4,3, стали непригодными для обитания рыб, в 25 обследованных регионах Европы обнаружены заболевания леса, причем было повреждено до 30–50% общей площади лесов.

Кислотные дожди также разрушают плодородие почв, которые приобретают кислую реакцию, из нее вымывается перегной (гумус), снижается содержание солей кальция, магния, калия. В кислых почвах также уменьшается число обитающих видов животных, замедлена скорость разло-жения опавших листьев. Все это создает неблагоприятные условия для роста растений.

К этому добавляется загрязнение окружающей среды отходами индустриального производства и индустриальной цивилизации. Естественное загрязнение окружающей среды, вызываемое извержением вулканов, лесными пожарами и т.д., не наносило существенного ущерба биосфере, так как она обладает восстановительными функциями. Но у биосферы нет механизмов для утилизации отходов промышленного производства. Так, каждый средний гражданин США выбрасывает за год 82 кг бумаги, 250 металлических банок, 388 бутылок – всего 1 тонну отбросов. Если в XIX в. люди использовали в хозяйстве около 50 видов различных минеральных ресурсов, то сегодня – более 100 видов.

Нельзя не сказать и о загрязнении окружающей среды радиоактивными отходами, количество которых постоянно растет. Возникла эта проблема в 1945 г. после взрыва атомных бомб, сброшенных на японские города Хиросиму и Нагасаки. При ядерном взрыве радиоактивные частицы рассеиваются на большие расстояния, заражая почву, водоемы, живые организмы. Многие радиоактивные изотопы имеют длительный период полураспада, оставаясь опасными в течение всего времени своего существования. Количество радиоактивных частиц в мире постоянно растет. Это связано с тем, что до 1962 г. в мире проводились испытания ядерного оружия в атмосфере, а подземные ядерные взрывы идут и сейчас. Нельзя также исключить возможность аварий на атомных электростанциях, последствия которых, как показал Чернобыль, могут быть очень серьезными. Большой проблемой также является утилизация отработанного ядерного топлива с атомных электростанций и тех радиоактивных веществ, которые используются в промышленности.


Исчерпаемые природные ресурсы

Исчерпаемые природные ресурсы делятся в свою очередь на возобновляемые и невозобновляемые, к возобновляемым ресурсам относятся растительный и животный мир, плодородие почв, к невозобновляемым ресурсам – полезные ископаемые.

Использование полезных ископаемых началось еще в эпоху неолита. Вначале человек начал использовать золото и медь, позже олово, серебро и свинец. В наше время человек в своей деятельности использует большую часть известных минеральных ресурсов, извлекая из недр планеты все больше различных руд, каменного угля, нефти и газа. Выше было отмечено, что технический прогресс позволяет использовать бедные руды, добывать полезные ископаемые со дна моря, а также находить новые области применения как металлов, так и неметаллического сырья. При этом указывалось, что в целом на Земле с запасом нужных нам химических элементов дело обстоит благополучно. Но проблема в том, что они преимущественно сосредоточены в бедных месторождениях, разрабатывать которые нерентабельно, или же в соединениях, которые мы пока использовать не умеем. Поэтому запасов нефти при нынешних темпах потребления хватит до 2050 г., природного газа – на 80 лет, а на них строится вся современная промышленность и энергетика. Таким образом, перед нашей индустриальной цивилизацией встает серьезная проблема, решать которую придется уже нашим детям и внукам.

Не очень хорошо обстоит дело и с возобновляемыми ресурсами. В современных условиях значительная часть поверхности Земли распахана или представляет собой полностью или частично окультуренные пастбища для домашних животных. Развитие промышленности и сельского хозяйства потребовало больших площадей для строительства городов, промышленных предприятий, разработки полезных ископаемых, сооружения коммуникаций. Таким образом, к настоящему времени человеком преобразовано около 20% суши.

За один календарный год в мире при перепашке полей, строительных и других работах перемещается более 4000 км3 почвы и грунта, извлекается из недр земли 120 млрд т руд, горючих ископаемых, строительных материалов, выплавляется 800 млн тонн различных металлов. В то же время в конечном продукте содержится не более 5–7% от количества сырья, запущенного в производство, а 93–95% идет в отходы, загрязняя атмосферу и природные водоемы. Поэтому значительные площади суши исключены из хозяйственного оборота вследствие накопления на них промышленных отходов. Так появляются отвалы, карьеры, терриконы - земляные конусы, провальные воронки, возникающие на местах пустот под землей. Общая площадь разрушенных и деградированных почв за всю историю человечества составляет примерно 20 млн км2, что больше совокупной площади, используемой сегодня в мире в сельскохозяйственных целях.

Кроме того, освоение литосферы идет не только вширь, но и вглубь. Полезные ископаемые добываются со все большей глубины. Растет число шахт и карьеров глубокого заложения, увеличивается глубина буровых скважин (до 12 км). Из-за недостатка площадей в городах человек все больше осваивает и использует подземное пространство – метро, переходы, тоннели, хранилища и т.д. Это действует как мощный геологический фактор. Результатом становится такое явление, как наведенная сейсмичность – техногенные землетрясения, чаще всего возникающие в связи с созданием крупных и глубинных водохранилищ.

Сегодня можно говорить о техногенном изменении геофизических полей Земли – гравитационного, магнитного, электрического, радиационного, теплового. Все они уже не первозданные по своей структуре и свойствам. Они в большей или меньшей степени техногенно искажены, и считать эти изменения благоприятными для человека нельзя.

Из числа восполняемых природных ресурсов большую роль в жизни человека играет лес. Он предотвращает эрозию почвы, задерживает поверхностные воды и способствует поддержанию уровня грунтовых вод. Кроме того, в лесах обитают животные – копытные, пушные звери, дичь, которые используются человеком. И наконец, леса вырабатывают кислород. Поэтому не менее грозным предупреждением становится сокращение площадей тропических лесов, которые наряду с северной тайгой являются «легкими» планеты – они вырабатывают основную массу кислорода, необходимого для жизни всего животного мира.

На протяжении последних 50 тысяч лет человек уничтожил 60% мировых лесов. За последние 200 лет жители Австралии вырубили 75% своих тропических лесов. Только за минувшие 40 лет Африка потеряла 23% лесного массива, Латинская Америка - 38%. Сегодня США дышат чужими «легкими». Вырубка лесов является одной из причин опустынивания обширных площадей. Опустыниванием охвачена территория, равная по площади Северной и Южной Америке.

Несмотря на длительную историю земледелия и скотоводства, дикая природа продолжает служить человеку в качестве источника продуктов питания. В первую очередь речь идет о рыболовстве, так как рыба составляет от 17 до 83% белкового рациона человека. Основная доля рыбных богатств сосредоточена в морях. Также идет промысел морских млекопитающих – китов, ластоногих, которые являются источником мяса, жира, а их шкуры и мех используются для изготовления одежды.

Но, к сожалению, вместе с вырубленными лесами, территориями, отданными под застройку, промышленные предприятия и т.д., исчезают растения и животные. А массовое посещение оставшихся в зоне досягаемости лесов (эта зона увеличивается с каждым годом благодаря развитию техники) приводит к вытаптыванию, загрязнению и нарушению круговорота веществ в биоценозах. Помимо этого, человек прямо истребляет те виды растений и животных, которые представляют для него пищевую или иную материальную пользу.

Считается, что с 1600 г. человеком было истреблено более 160 видов и подвидов птиц и не менее 100 видов млекопитающих. Навсегда исчезли тур (дикий бык, живший на территории всей Европы), стеллерова корова (морская корова), дикая лошадь тарпан. Многие виды находятся на грани вымирания или сохранились только в заповедниках. Среди них бизоны, десятки миллионов которых населяли прерии Северной Америки, зубры, пятнистый олень, некоторые виды китов.

Исчезновение каждого вида наносит непоправимый урон для биосферы. И дело тут не в хозяйственном значении этих видов – человек найдет им замену. Каждый вид занимает определенное место в биоценозе, в цепи питания. Поэтому его исчезновение ведет к уменьшению устойчивости биоценозов, что соответственно может привести к их гибели. Кроме того, каждый вид обладает уникальными, присущими только ему свойствами, отобранными в результате длительной эволюции. Поэтому его исчезновение лишает нас возможности в будущем воспользоваться ими для своих практических целей.


Концепции пространства и времени в современном естествознании

Важнейшей задачей естествознания является создание естественно-научной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках. При этом оказыва-ется, что физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно зависят от изменения длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировались понятия пространства и времени.


Развитие представлений о пространстве и времени

Для обыденных представлений пространство и время – нечто привычное, известное и очевидное. С самых первых дней после своего появления на свет ребенок начинает осознавать, что существуют разные направления в окружающем его мире. Вначале - это верх и низ, когда ребенок начинает вставать, возникает ощущение переда и зада. В более старшем возрасте различают правую и левую стороны. Тогда же осознается факт, что любой предмет занимает определенное место относительно других объектов, граничит с ними. Так постепенно, через осознание предельно общих свойств, отражающих структурную организацию окружающего нас мира, на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности складывается понятие пространства.

Понятие о времени также складывается еще в детском возрасте, но позже, чем представление о пространстве. Примерно с пяти лет ребенок начинает замечать смену дня и ночи. Несколько позже становится понятным деление суток на утро, день, вечер и ночь. Тогда же появляется представление о течении времени, о существовании сегодняшнего, вчерашнего и завтрашнего дней. Еще позже осознается возможность выделения как более коротких (час, минута, секунда), так и более длинных промежутков времени (неделя, месяц, год).

Таким образом, время – это форма бытия материи, характеризующая последовательность смены состояний и длительности существования любых объектов и процессов. Представление о времени складывается на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

Достаточно быстро человек осознает и то, что пространство и время очень тесно взаимосвязаны друг с другом. Ведь время можно измерять мерой пространства – расстоянием, а расстояние – мерами времени. Так, время можно измерять относительным положением стрелок на циферблате часов, расстояние – временем, которое потребуется на дорогу до какого-либо объекта (пять минут ходьбы от метро).

Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, хотя их рассуждения носили стихийный, нередко противоречивый характер. Так, для Демокрита пространство ассоциировалось с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов. Оно было вместилищем материальных тел. В то же время большинство древнегреческих философов не признавали существования пустоты и тем самым связывали существование пространства с материальными телами, характеристикой которых оно являлось. Эти идеи в завершенной форме были высказаны в «Началах» Евклида, который считал пространство однородным и бесконечным.

Реальное эмпирическое основание и строгое теоретическое описание представления о пространстве и времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и в классической науке Нового времени. Это было связано с развитием механики, которая описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в пространстве и времени.

Огромное значение для развития представлений о пространстве и времени имели работы
Г. Галилея, который ввел в науку идею инерции и классический принцип относительности. Согласно этим принципам все физические явления происходят одинаково во всех инерциальных системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга.
В результате такие характеристики тел, как длина и время, являются неизменными.

Следующий важный шаг был сделан Р. Декартом, который связал физику и геометрию. Он ввел в науку координатную систему, в которой состояние материального тела описывалось с помощью трех пространственных (длина, ширина, высота) и одной временной координаты. Он же первым стал отождествлять пространство с протяженностью материальных объектов, отрицая при этом существование пустого пространства. Также Декарт связал время с длительностью материальных процессов, с осознанием человеком этой длительности.

Вершиной классического естествознания стало творчество И. Ньютона. Именно он ввел господствовавшие в науке до начала XX в. представления о пространстве и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Это было сделано в его знаменитой книге «Математические начала натуральной философии». В ней Ньютон попытался объединить существующие в науке точки зрения на пространство и время.

В своем описании, с одной стороны, он использовал представления о пространстве и времени как о внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы даже при исчезновении материи. С другой стороны, он сохранял понимание пространства и времени как протяженности и длительности материальных объектов, существующих во Вселенной.

Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время.

Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить себе в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее относительно некоторых тел и которая в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно. Его можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это минута, час, день, месяц, год.

Разграничение абсолютного и относительного пространства и времени, произведенное Ньютоном, связано со спецификой человеческого познания, которое происходит на двух уровнях – эмпирическом и теоретическом. На эмпирическом уровне познания человек воспринимает пространство и время через свои органы чувств. Такое познание ограничено способностями познающей личности и не может адекватно передать реальность нашего мира. Лишь находясь на теоретическом уровне познания, человеческий разум способен представить пространство и время как абсолютные, универсальные и инерциальные системы отсчета.

Абсолютное пространство и время Ньютона предстают перед нами в качестве самодов-леющих элементов бытия, существующих вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. Это – «черный ящик», уже упоминавшийся выше. Правда, Ньютон считал, что как материя, так и пространство и время подвластны Богу, который является единственной подлинной реальностью.

Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил концепцию пространства и времени, отказывающую им в самостоятельном, независимом от материи существовании. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время – как порядок отношения и последовательность событий. Иными словами, он подчеркивал неразрывную связь материи с пространством и временем.

Но взгляды Лейбница не смогли переубедить ученых, уверенных в правоте Ньютона. Сформулированные Ньютоном законы движения и закон всемирного тяготения, ставшие основой классической механики, основывались на понятиях абсолютного пространства и времени. Поэтому на некоторые недостатки идей Ньютона предпочли не обращать внимания.

Ньютоновское пространство считалось бесконечным, плоским, евклидовым. Оно рассмат-ривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (одинаковое по всем направлениям). Это пространство выступало в качестве вместилища материальных тел, оно было независимой от этих тел инерциальной системой.

Абсолютное время было однородным и равномерно текущим, одинаковым во всей Вселенной. Оно служило универсальной длительностью, независимой системой отсчета любых процессов во Вселенной.

Лишь в середине XIX в., когда Максвеллом была создана теория электромагнитного поля, ученым пришлось признать возможность ошибки, задуматься о замене абсолютных пространства и времени относительными. Тем не менее инерция мышления была так велика, что еще несколько десятилетий признавалось существование мирового эфира как абсолютной системы отсчета, стоящей в одном ряду с абсолютными пространством и временем.

В других концепциях проблема пространства и времени рассматривалась во взаимосвязи с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному провидению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как относительного, как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.

Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физики, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относи-тельности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давшей ей естественно-научное обоснование.


Теория относительности

Теория относительности стала результатом обобщения и синтеза классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между которыми с середины XIX в. возникли серьезные противоречия. В то время в механике господствовал классический принцип относительностиконцепция эфира – ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое пространство, являющейся абсолютной системой координат. Иными словами, в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая предпочтение перед всеми другими. Галилея, утверждавший равноправность всех инерциальных систем отсчета, а в электродинамике –

Существование эфира долгое время не подвергалось сомнению. Более того, после выдвинутого Максвеллом предложения, что свет – это электромагнитная волна, распростра-няющаяся в мировом эфире, казалось, позиции сторонников эфирной теории еще больше укрепились. Не хватало лишь решающего эксперимента, который доказал бы, что наша планета движется сквозь эфир. Считалось, что при этом порождается «эфирный ветер», сносящий свет, испускаемый источником на Земле, в направлении против движения нашей планеты. Поскольку скорость движения Земли вокруг Солнца составляет 30 км/с, то скорость света должна была уменьшиться на эту же величину.

Такой эксперимент был проведен в 1887 г. А. Майкельсоном и Э. Морли. Они попытались обнаружить теоретически предсказанное смещение. Точность эксперимента для того времени была очень высока, но никакого «эфирного ветра» им обнаружить не удалось.

Таким образом, опыт Майкельсона–Морли показал независимость скорости света от движения Земли. Отрицательный результат эксперимента было невозможно объяснить ни в рамках классической механики, ни в рамках электродинамики. Получалось, что вопреки сущест-вующей в электродинамике концепции эфира для электромагнитных явлений не было выделенной системы координат. Классический принцип относительности Галилея был верен и для них.

Ряд ученых попытались найти иное объяснение поставленному опыту. Среди них был нидерландский физик X. Лоренц, предложивший гипотезу о сокращении всех тел в направлении движения. Он вывел математические уравнения, называемые сегодня преобразованиями Лоренца. А в 1905 г. в журнале «Анналы физики» появилась статья неизвестного тогда еще А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». В ней и были сформулированы основы специальной теории относительности, в которой он сумел по-новому интерпретировать преобразования Лоренца, придать им иной физический смысл. В частности, Эйнштейн смог показать, что преобразования Лоренца описывают не реальные изменения размеров тел, а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета.


Специальная теория относительности

Около десяти лет работал Эйнштейн над проблемой влияния скорости движения тел на электромагнитные явления. В результате он пришел к выводу о невозможности существования ньютоновского абсолютного пространства и времени, так как это противоречит принципу относительности Галилея. Таким образом, Эйнштейн смог увидеть, что за рассуждениями Галилея скрывается принципиально иное представление о пространстве и времени. Сам Эйнштейн считал, что принцип относительности является квинтэссенцией классической механики и поэтому должен быть сохранен. От концепции абсолютного пространства и времени, как не имеющих реального физического содержания, следовало отказаться.

Так был сформулирован первый постулат специальной теории относительности – расширенный принцип относительности. Он уравнивал между собой не только инерциальные системы, движущиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и распространил действие принципа на законы электродинамики.

Второй постулат специальной теории относительности Эйнштейн позаимствовал из электро-динамики – это принцип постоянства скорости света в вакууме, примерно равной 300000 км/с.

Классический принцип относительности Галилея очень прост. Он всего лишь заявляет, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной разницы. Разница лишь в точке зрения. Поэтому путешественник в закрытой каюте спокойно плывущего корабля не замечает никаких признаков движения. Если на том же корабле подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме. Для нашего путешественника книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу эта книга плывет вместе с кораблем.

В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или покоится книга. Такой спор был бы бессмысленной тратой времени. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение, что движение или покой – всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Эйнштейн развил классический принцип относительности и пришел к выводу, что этот принцип является всеобщим, действуя не только в механике, но и в электродинамике. Таким образом, электромагнитные явления стали описываться как инерциальные системы, инвариантные (неизменные) относительно постановки в них любых физических экспериментов. Иными словами, обобщенный принцип относительности утверждал, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными) внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится.

Второй постулат специальной теории относительности говорит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии с которым если и существует максимальная скорость, то она должна быть одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Дело в том, что скорость света – самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий, одна из немногих фундаментальных физических констант нашего мира. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Первым в этом усомнился Галилей и попытался ее измерить, но точность тогдашних измерительных приборов не позволила этого сделать. Задачу измерения скорости света ставил перед собой датчанин О. Ремер, который исследовал движение спутника Юпитера и определил скорость равной 214 000 км/с. Эта величина была уточнена уже в XIX в. и составила 299 792 458 м/с. Обычно ее считают примерно равной 300 000 км/с.

Это огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире. Например, линейная скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с, скорость Земли в ее орбитальном вращении вокруг Солнца – 30 км/с, скорость самого Солнца в его движении вокруг центра Галактики – около 250 км/с. Скорость движения всей Галактики с большой группой других галактик относительно других таких же групп – еще в два раза больше. Вместе с Землей, Солнцем и Галактикой мы летим в космическом пространстве, сами того не замечая, с огромной скоростью, измеряемой несколькими сотнями километров в секунду. Это огромная скорость, но все же и она очень мала по сравнению со скоростью света.

Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны, их величина зависит от точки зрения. Скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

Скорость света – это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природе, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна – это абсолютный рекорд скорости. Поэтому часто говорят, что скорость света – предельная скорость передачи информации. Она же является предельной скоростью любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире. Если бы это было не так, нарушился бы фундаментальный закон причинности, утверждающий, что причина всегда предшествует следствию. Тогда разрушилась бы логическая связь событий во Вселенной, в мире воцарился бы абсолютный хаос и случайность.

Разумеется, все сказанное нами о скорости света, противоречит тому, что мы видим в окружающем нас мире. Более того, одновременное действие этих двух постулатов кажется невозможным. Чтобы решить данный парадокс, Эйнштейн обращается к анализу проблемы одновременности, которая и составляет суть теории относительности.

Классическая физика решала эту проблему очень просто в рамках концепции абсолютного времени, в соответствии с которой любые события во всех точках Вселенной совершались в рамках одной системы отсчета (абсолютного времени). Поэтому одновременность событий считалась реально существующим фактом. Эйнштейн первым попытался серьезно проанали-зировать проблему одновременности, использовав для этого мысленный эксперимент.

Чтобы доказать существование одновременности, нужно иметь в двух точках пространства, где находятся интересующие нас объекты, одинаково устроенные, синхронно идущие часы. Синхронизировать эти часы можно, воспользовавшись световыми сигналами, которые будут направляться из одной точки в другую, а потом возвращаться обратно. Если часы при этом будут показывать одинаковое время, значит, события в данных точках протекают одновременно. Если бы свет распространялся мгновенно, проблемы бы не существовало. Но так как свет обладает конечной скоростью, наши сигналы в разных точках покажут разные результаты. Таким образом, события, одновременные для одного наблюдателя, окажутся неодновременными для другого. Следовательно, понятие одновременности всегда относительно.

Из нового понимания одновременности вытекают важнейшие выводы специальной теории относительности, которые известны под названием релятивистских эффектов. Именно они стали новой интерпретацией преобразований Лоренца, потребовали кардинального изменения представ-лений о пространстве и времени, выработанных еще классической физикой. Относительными становятся не только скорости, траектории тел, как в классической механике, но и пространст-венно-временные характеристики тел, традиционно считавшиеся неизменными, – линейные размеры, масса и время протекания процессов. Оказывается, эти свойства зависят от скорости движения тел. Правда, эти изменения становятся заметными, если измерять их из другой системы, движущейся относительно первой системы с иной скоростью. При этом скорость движения наблюдаемой системы должна быть очень большой, сравнимой со скоростью света.

Таким образом, релятивистские эффекты – это изменения пространственно-временных характеристик тел, заметные на больших скоростях, сравнимых со скоростью света.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, т.е., двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и измерить. Поэтому в качестве примера обычно берут воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты, летящий к далеким звездам. Неподвижный наблюдатель при этом сможет зафиксировать три релятивистских эффекта:

1. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем ближе скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для наблюдателя. Если бы корабль смог двигаться со скоростью света, его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю, чего не может быть.

2. Увеличение массы быстродвижущихся тел. Масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше возрастает его масса. Если бы тело смогло двигаться со скоростью света, его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Поэтому никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, так как это потребовало бы бесконечной энергии. В связи с этим появилась самая известная формула теории относительности, связывающая массу и энергию. Эйнштейну удалось доказать, что масса тела есть мера содержащейся в нем энергии: Е = тс2.

3. Замедление времени в быстродвижущихся телах. Так, в быстро летящем космическом корабле время течет медленнее, чем для неподвижного наблюдателя. Эффект замедления времени на космическом корабле сказался бы не только на часах, но на всех процессах, протекающих в этом корабле, в том числе и на биологических ритмах его экипажа. Чтобы проиллюстрировать эту ситуацию был предложен так называемый парадокс близнецов. Если бы из двух близнецов один остался на Земле, а другой улетел к звездам, то космонавт с точки зрения земного наблюдателя старился бы медленнее, чем его брат-близнец. Поэтому после возвращения домой космонавт обнаружил бы, что его брат значительно старше его самого. Интересно, что чем дальше совершается полет и чем ближе скорость корабля к скорости света, тем больше будет разница в возрасте между близнецами. Она может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из процесса развития на Земле.

Казалось бы, можно рассматривать ракету как покоящуюся систему отсчета, а Землю - как движущуюся, и тогда утверждать, что быстрее постареет космонавт. Но на самом деле ракету нельзя рассматривать как инерциальную систему, так как она во время разгона и торможения движется с ускорением.

Современный уровень развития науки и техники пока не позволяет построить фотонные ракеты, с помощью которых можно было бы проверить выводы специальной теории относи-тельности. Тем не менее экспериментальные доказательства основных положений специальной теории относительности все же существуют. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега пи-мезонов (пионов), возникающих при столкновении космических лучей с атмосферой Земли.

Таким образом, специальная теория относительности утверждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолированно друг от друга. На основании этих выводов в 1907 г. немецкий математик Г. Минковский высказал предположение, что три пространственных и одна временная размерность любых материальных тел тесно связаны между собой. Все события во Вселенной происходят в едином четырехмерном пространстве-времени.

Следует подчеркнуть, что релятивистские эффекты будут проявляться только при движении тел со скоростью, сравнимой со скоростью света. На малых скоростях уравнения специальной теории относительности будут давать практически те же результаты, что и формулы классической механики, как этого требует принцип соответствия.

Создание специальной теории относительности стало качественно новым шагом в развитии науки, одной из первых теорий, созданных современной наукой. В отличие от классической науки (классической механики) специальная теория относительности органично включает в себя наблюдателя, который только и может заметить релятивистские эффекты. Описание физических процессов в этой теории также не является универсальным, а зависит от выбора системы координат. Да и описывается в ней не сам физический процесс, а результат взаимодействия этого процесса со средствами исследования. Отсюда становилось все яснее, что ученый перестает быть зеркалом, пассивно отражающим окружающий мир, как это считала классическая наука, а сам непосредственно формирует объект своего познания. Таким образом, идея неразрывной связи субъекта и объекта познания является одним из краеугольных камней современной науки.


Общая теория относительности

В рамках этой теории, которая создавалась в течение десяти лет, с 1906 по 1916 гг.,
А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения, давно привлекавшей к себе внимание ученых. Поэтому общую теорию относительности часто еще называют теорией тяготения. В ней были описаны новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория основывается уже не на двух, а на трех постулатах.

Первый постулат общей теории относительности – расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность(неизменность) законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл по отношению к фактору, его определяющему.

Второй постулат – принцип постоянства скорости света – остается неизменным.

Третий постулат – принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классической механике. Так, в законе всемирного тяготения, сформулиро-ванном Ньютоном, сила тяготения всегда пропорциональна массе того тела, на которое она действует (F=Gm1m2 / r2). Но во втором законе Ньютона сила, сообщающая телу ускорение, тоже пропорциональна его массе (F = та). В первом случае речь идет о гравитационной массе, которая характеризует способность тела притягиваться к другому телу, во втором случае – об инертной массе, которая характеризует поведение тела под действием внешних сил, является мерой инертности тела. Но в случае свободного падения тела с ускорением 9,8 м/с2 оно не зависит от массы. Это установил в своих опытах еще Галилей. Более точно эквивалентность этих масс была установлена в 1890 г. венгерским физиком Л. Этвешем. Сегодня эти выводы подтверждены с высокой степенью точности.

После создания специальной теории относительности Эйнштейн задумался о том, меняются ли гравитационные свойства тел, если их инерционные свойства зависят от скорости движения. Теоретический анализ, проведенный ученым, позволил сделать вывод, что физика не знает способа отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Иначе говоря, кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возни-кающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g, то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Аналогично, наблюдатель, находящийся в закрытом лифте, не сможет определить, движется ли лифт ускоренно или внутри лифта действуют силы тяготения. Именно на основе принципа эквивалентности был обобщен принцип относительности, о чем мы говорили выше.

Важнейшим выводом общей теории относительности стала идея, что изменение геометри-ческих (пространственных) и временных характеристик тел происходит не только при движении с большими скоростями, как это было доказано специальной теорией относительности, но и в гравитационных полях. Сделанный вывод неразрывно связывал общую теорию относительности с геометрией, но общепризнанная геометрия Евклида для этого не годилась.

Геометрия Евклида носит аксиоматический характер, исходит из пяти аксиом и подразуме-вает одинаковость, однородность пространства, которое считается плоским. Но постепенно многих математиков эта геометрия перестала удовлетворять, так как пятый постулат ее не был самоочевидным. Речь идет об утверждении, что через точку, лежащую вне прямой, можно провести только одну прямую, параллельную данной. С этой аксиомой связано утверждение о сумме углов треугольника, всегда равной 180°.

Если заменить эту аксиому другой, то можно построить новую геометрию, отличную от геометрии Евклида, но столь же внутренне непротиворечивую. Именно это и сделали в XIX в. независимо друг от друга русский математик Н.И. Лобачевский, немец Б. Риман и венгр
Я. Больяй. Риман использовал аксиому о невозможности проведения даже единственной прямой, параллельной данной. Лобачевский и Больяй исходили из того, что через точку вне прямой можно провести бесчисленное множество прямых, параллельных данной.

С первого взгляда эти утверждения звучат абсурдно. На плоскости они и в самом деле неверны. Но ведь могут существовать и иные поверхности, на которых имеют место новые постулаты.

Представьте себе, например, поверхность сферы. На ней кратчайшее расстояние между двумя точками отсчитывается не по прямой (на поверхности сферы прямых нет), а по дуге большого круга (так называют окружности, радиусы которых равны радиусу сферы). На земном шаре подобными кратчайшими, или, как их называют, геодезическими линиями служат меридианы. Все меридианы, как известно, пересекаются в полюсах, и каждый из них можно считать прямой, параллельной любому меридиану. На сфере выполняется своя, сферическая геометрия, в которой верно утверждение, что сумма углов треугольника всегда больше 180°. Представьте себе на сфере треугольник, образованный двумя меридианами и дугой экватора. Углы между меридианами и экватором равны 90°, и к их сумме прибавляется угол между меридианами с вершиной в полюсе. На сфере, таким образом, нет непересекающихся прямых.

Существуют также поверхности, для которых оказывается верным постулат Лобачевского и Больяя. Это седловидная поверхность, также называемая псевдосферой. На ней сумма углов треугольника всегда меньше 180° и невозможно провести ни одной прямой, параллельной данной.

После того, как Эйнштейн узнал о существовании этих геометрий, возникли законные сомнения в евклидовом характере реального пространства-времени. Стало ясно, что оно искрив-лено. Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины и будем считать, что это модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики – модели звезд и планет. Шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше их масса, что наглядно демонст-рирует зависимость кривизны пространства-времени от массы тела и подтверждает правоту Римана.

Так, Земля создает вокруг себя искривленное пространство-время, которое называется полем тяготения. Именно оно заставляет все тела падать на Землю. Но чем дальше мы будем находиться от планеты, тем слабее будет действие этого поля. На очень большом расстоянии поле тяготения будет настолько слабым, что тела перестанут падать на Землю, и потому искривление пространства-времени будет настолько незначительным, что им можно пренебречь и считать пространство-время плоским.

Под кривизной пространства не нужно понимать искривление плоскости наподобие евкли-довой сферы, в которой внешняя поверхность отлична от внутренней. Изнутри ее поверхность выглядит вогнутой, извне – выпуклой. С точки зрения неевклидовых геометрий обе стороны искривленной плоскости являются совершенно одинаковыми. Кривизна пространства не проявля-ется наглядным образом и понимается как отступление его метрики от евклидовой, что можно точно описать на языке математики.

Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца, достаточно небольшой по космическим меркам звезды, влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому, если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет больше времени, чем в том случае, когда на пути этого сигнала Солнца не будет. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. Такие эксперименты проводились начиная с 1966 г. В качестве отражателя использовались как поверхности планет (Меркурия, Венеры), так и оборудование межпланетных станций.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности – полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремиться к бесконечности, а его частота – к нулю.

Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случиться, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы.

Сразу скажем, что с Солнцем этого никогда не произойдет. В конце своего существования, через несколько миллиардов лет, оно испытает множество превращений, его центральная область может значительно сжаться, но все же не так сильно.

Но другие звезды, массы которых в три и более раз превышают массу Солнца, в конце своей жизни и вправду испытают, скорее всего, быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения. Это приведет их к состоянию черной дыры.

Черная дыра – это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.

Чтобы возникла черная дыра, тело должно сжаться до радиуса, не превосходящего отношения массы тела к массе Солнца, умноженного на 3 км. Это критическое значение радиуса называют гравитационным радиусом тела.

Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры существуют в природе, хотя до сих пор их не удалось обнаружить. Трудности астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов. Ведь их просто не видно, так как они не светят, ничего не излучают в пространство и потому в полном смысле этого слова являются черными. Лишь по ряду косвенных признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в системе двойной звезды, где ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и более раз, можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.

Сейчас имеется несколько хорошо изученных систем двойных звезд, в которых масса невиди-мого партнера оценивается в 5–8 масс Солнца. Скорее всего, это и есть черные дыры, но астро-номы до уточнения этих оценок предпочитают называть эти объекты кандидатами в черные дыры.

Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронных звезд, а у гравитационного радиуса черной дыры оно столь велико, что время там, с точки зрения внешнего наблюдателя, просто замирает.

Для тела, попадающего в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной трем массам Солнца, падение с расстояния 1 млн км до гравитационного радиуса займет всего около часа. Но по часам, которые будут находиться вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело будет подходить к гравитационному радиусу, тем более замедленным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигнет его. А на определенном расстоянии от этого радиуса тело навсегда застывает - для внешнего наблюдателя остановилось время, подобно тому, как на стоп-кадре виден застывший момент падения тела.

Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум) была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени.


Свойства пространства и времени

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, то правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассмат-ривая как самостоятельные формы бытия. В таком случае выделяют:

- всеобщие свойства пространства и времени – к ним относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи и неразрывно связаны с другими ее атрибутами;

- общие свойства пространства и общие свойства времени – они обычно выделяются в учебных целях;

- специфические (локальные) свойства пространства и времени – они проявляются лишь на некоторых структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем.


Всеобщие свойства пространства и времени

Всеобщими свойствами пространства и времени являются:

1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире, если такие есть.

2. Абсолютность – пространство и время являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех ее структурных уровнях.

3. Неразрывная связь друг с другом и движущейся материей. Это делает пространство и время относительными.

4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре – наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве и времени при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве-времени. Таким образом, это свойство проявляется в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля, которые происходят по принципу близкодействия.

5. Количественная и качественная бесконечность, связанная со структурной бесконечностью самой материи. Во Вселенной невозможно найти такое место, где бы отсутствовали пространство и время. Всюду, где есть взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно есть пространство и время. Всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет время, включающее в свое содержание все эти процессы, и пространство, в котором эти процессы происходят.

В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, что их нужно объединить в понятии четырехмерного континуума и рассматривать как одну форму бытия материи – пространство-время. Безусловно, связь между ними неразрывна и реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением во времени, и наоборот. Но все же пространство и время, наряду с всеобщими характеристиками, имеют такие общие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени. Это и дает возможность рассматривать их как разные существенные свойства материи.


Общие свойства пространства

1. Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи. Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям, из них не могли бы образовываться никакие системы.

Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы.

2. Трехмерность – все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях материи, оно органически связано со структурностью систем и их движением.

В одномерном (линия) или двумерном (плоскость) пространстве не смогли бы происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

Достаточно давно в науке обсуждается возможность существования не только трехмерного, но и многомерного пространства. Физики и математики иногда используют понятие n-мерного пространства. Но все же эти измерения – не более чем абстракция. Даже существование четвертого измерения невозможно представить реально. Чтобы пояснить это, проведем аналогию. Представим себе существование двухмерного мира – страны Плоскатии, которая для нас выглядит, как детский рисунок. Если мы, трехмерные существа, попадем в этот Мир, его обитатели не смогут увидеть нас полностью, они заметят лишь срезы тех частей нашего тела, которые будут проходить через плоскость этого мира. Поэтому, даже если и существует мир четырех измерений, а его обитатели посещают наш мир, мы замечаем лишь проекции их тел - странные объекты, не поддающиеся описанию известными нам физическими законами. Поэтому единственное четвертое измерение, доступное нам, – это время, неразрывно связанное с пространством в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.


Общие свойства времени

1. Длительность – выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний; возникновение за каждым данным интервалом времени последующего. (Интервалы – это промежутки между какими-либо учитываемыми событиями.) Вне таких событий само понятие времени теряет для нас смысл. Иными словами, средствами измерения времени являются сами события. Уже в древности для измерения времени придумали часы – прибор, который в усовершенствованном виде дошел до наших дней. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы.

Длительность обусловлена сохранением материи и ее существенных свойств. Никакой процесс
в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно имеет продолжительность во времени. Причиной этого является конечная скорость распространения физических взаимо-действий и изменения состояний в природе. Отсутствие же всякой длительности, означало бы, что материя в этом состоянии не обладает способностью к сохранению и последовательной смене состояний. Это равносильно отрицанию всякого материального бытия. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность времени проявляется в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения в прошлом. Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, существует конечный период. Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

2. Необратимость времени – общее свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события – это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют в данный момент и способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Объекты, существовавшие в прошлом, но перешедшие в другие последующие состояния материи, уже недоступны никакому воздействию. На прошлое физически воздействовать невозможно, можно только изменить представление о прошлом в сознании реально существующих людей. На отдаленное будущее тоже нельзя воздействовать, пока оно не возникнет, поскольку реально оно еще не существует. Воздействовать можно на события настоящего и на те ближайшие события будущего, которые из них непосредственно вытекают. Можно сказать, что настоящее – это миг между прошлым и будущим.

Понятие настоящего, как и понятие современности, многозначно, так как охватывает различ-ные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее – это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее – к будущему. Но это настоящее может быть и расширено в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события до часа, дня, года и большего отрезка времени.

Для объективно существующих систем настоящее охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена материей и энергией. Если бы скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной – настоящих, прошлых, будущих. Это же привело бы к абсолютной одновременности всех процессов во Вселенной, подтвердило бы существование абсолютного времени как универсальной системы отсчета этих процессов.

Но скорость распространения воздействий всегда конечна и не превышает скорости света в вакууме. Поэтому физически проявляющееся во взаимодействиях настоящее материальных систем охватывает тот временной интервал, в течение которого они способны взаимодействовать:
t = 21/с , где l – расстояние между системами. Для элементарных частиц это будут очень малые отрезки, но для Галактики они возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах будут еще более значительными.

Внутри настоящего больших систем могут укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых систем, существующих намного меньшее время, например жизни конкретных поколений людей. Мы сейчас воспринимаем свет от далеких галактик, испущенный миллионы лет назад. То, что для нас воспринимается как настоящее, для этих галактик является уже прошлым. Может быть, некоторые из звезд, которыми мы любуемся по ночам, уже не существуют – вспыхнув как сверхновые, они превратились в пульсары или черные дыры.

Но при этом можно быть уверенным, что от событий и систем будущего никаких воздействий, никакой информации поступить не может, так как эти системы еще не возникли, не обладают реальным существованием. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него – к будущему, но не наоборот.

Какие причины лежат в основе необратимости времени? Обратное движение времени означало бы обращение вспять всех процессов развития в мире, перестал бы действовать закон причинности, так как следствие возникало бы раньше его причины. Наглядной иллюстрацией обратного хода времени могут служить события на киноэкране при движении киноленты в обрат-ном направлении. При этом нарушаются все законы развития, все причинно-следственные связи.

Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и будущего во все большей мере осознаются различными науками. Раньше считалось, что все физические законы инвариантны относительно замены знака времени, поскольку время в уравнениях квантовой и классической механики берется в квадрате. Это наводило на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково как в прямом, так и в обратном направлении. Но за последние годы были открыты процессы, демонстрирующие необратимость изменений в микромире, в частности распады неустойчивых частиц. Существует гипотеза, что даже протоны, традиционно относя-щиеся к группе стабильных частиц, могут распадаться за период времени порядка 1031 лет.

3. Одномерность времени – проявляется в линейной последовательности событий, генети-чески связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых те же самые события разворачиваются в одинаковой последовательности.


Специфические (локальные) свойства пространства

1. Конкретные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел. Эти свойства хорошо фиксируются в макромире. В микромире действует принцип неопределенности Гейзенберга, проявляется свойство корпускулярно-волнового дуализма, которые не позволяют определить ни точное положение микрообъектов, ни их скорость. В мегамире также происходит качественное изменение свойств пространства, описанное теорией относительности Эйнштейна.

2. Наличие у материальных тел внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии свойственны как макромиру, так и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной дисимметрии, которым обладает молекула живого вещества.

3. Изотропность и неоднородность пространства. Изотропность – это отсутствие выде-ленных направлений (верх, низ и т.д.), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно так же полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидову пространству, т.е. является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс.

4. В последнее время выделяют биологическое и социальное пространство. Некоторые основания для этого есть. Так, в биологических системах фиксируется асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот. Впервые это свойство было отмечено еще в середине XIX в. Л. Пастером, в начале XX в. оно было изучено В.И. Вернадским.

С появлением человека как общественного существа возник новый тип пространства – социальное пространство, являющееся частью пространства биосферы и космоса. Специфика социального пространства связана с тем, что мир, окружающий человека, – это не только материальные предметы и явления, природные или созданные, но и то, как они влияют на жизнь человека, его социальные связи, его идеалы и ценности.

Важнейшим элементом, формообразующим началом социального пространства является архитектура. Дом, город воплощают в себе стремление человека к защите от превратностей окружающего мира. В них человек воплощает свой образ мира, а понятие родины в первую очередь ассоциируется с родным домом и тем местом, где он расположен.

Несколько меньшее значение имеет одежда, предметы быта, машины и механизмы, с помощью которых мы не только обеспечиваем свое физическое выживание в мире, но и преобразуем окружающий нас мир, очеловечиваем его, превращаем природу в культуру. Человеку свойственно стремление к экспансии, к освоению новых территорий и необжитых пространств. Если раньше это свойство проявлялось в открытии и освоении новых земель на нашей планете, то в XX в. человек вышел в космос и начал осваивать его.

Частью нашего социального пространства является личностное пространство, связанное с восприятием отдельным человеком себя и своего окружения. Важнейшим элементом личностного пространства являются другие люди, окружающие нас, общающиеся с нами. Для социального пространства свойственны специфические пространственные отношения между его элементами, собственные ритмы и темпы изменений в различных сферах общественной жизни.

Очень интересно восприятие времени человеком. Ведь именно через время мы воспринимаем все изменения, происходящие в окружающем нас мире. Интересно, что в индивидуальном восприятии человека оно может растягиваться и сжиматься. Так, в детстве время тянется очень долго, но чем старше мы становимся, тем быстрее летит время.

Человеку также присуще чувство времени. В зависимости от тренированности люди могут более или менее точно определять без часов время суток и длительность каких-то событий. Иными словами, у людей есть что-то вроде внутренних часов, которые основываются на биологических ритмах нашего организма, как-то: биение сердца, частота дыхания, ритмы мозга.

Особенности функционирования общества в целом также находят свое выражение в специфическом социальном времени, которое характеризует длительность, последовательность этапов материальной и духовной деятельности человека. Главным фактором, определяющим ход социального времени является преобразующая творческая деятельность человека, с помощью которой он меняет как себя, так и окружающую среду. Социальное время может существенно отличаться от календарного времени. Так, по календарю XIX век начался в 1801 г. и закончился в 1900 г. Но с точки зрения истории культуры, по меркам социального времени, он начался в 1789 г. (с Великой французской революции) и закончился в 1914 г. (с началом первой мировой войны).

Изучение времени продолжается и сегодня. Есть целый ряд интересных гипотез о природе времени. Так, профессор Н.А. Козырев предположил, что время – это физический фактор, обладающий свойствами, позволяющими ему активно участвовать во всех природных процессах, обеспечивая причинно-следственную связь явлений. Тем не менее, вопрос о природе времени до сих пор остается одним из самых сложных и загадочных для человека. До сих пор верны слова Августина Блаженного: «Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься – и вот я уже не знаю, что есть время».

Оглавление
Структурные уровни организации материи. Мега- и макромир.
Дидактический план
Предисловие
Структурность и системность материи
Микро-, макро- и мегамир
Основные представления о мегамире
Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва
Модель расширяющейся Вселенной
Образование Солнечной системы
Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций
Основные направления поиска внеземных цивилизаций
Современный анализ проблемы внеземных цивилизаций
Солнечная система
Галактики
Планеты Солнечной системы
Внешние планеты Солнечной системы
Планеты земной группы
Сравнительная характеристика планет земной группы
Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы
Форма и размеры Земли
Современные представления о строении Земли
Образование Земли
Возраст Земли
Геосферы Земли
Химическая эволюция Земли
Природные ресурсы и их использование
Неисчерпаемые природные ресурсы
Исчерпаемые природные ресурсы
Концепции пространства и времени в современном естествознании
Развитие представлений о пространстве и времени
Теория относительности
Специальная теория относительности
Общая теория относительности
Свойства пространства и времени
Всеобщие свойства пространства и времени
Общие свойства пространства
Общие свойства времени
Специфические (локальные) свойства пространства
Все страницы