«Ответы на вопросы по КСЕ»

31. Модель расширяющейся Вселенной. Доказательства расширения Вселенной

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, – релятивистская. Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света. 

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.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Расчеты Фридмана допускали три варианта развития событий. В первой модели Вселенная  расширялась медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В данной модели пространство Вселенной искривлялось, замыкаясь на себя, образуя сферу. Это осциллирующая, закрытая Вселенная. Именно к такой модели склонялся Эйнштейн. По расчетам, процесс сжатия Вселенной должен начаться через 10 млрд. лет. За 20 млрд. лет до полного гравитационного коллапса замкнутая Вселенная сожмется до современных размеров. За 1 млрд. лет до Большого хлопка межзвездный водород превратится в ионизированную плазму, и Вселенная начнет разогреваться. За год до конца температура Вселенной станет выше, чем в недрах звезд, после чего звезды начнут взрываться, а вещество будет втягиваться в сверхмассивные черные дыры. За три минуты до конца черные дыры начнут сливаться. А в конце все вернется в ту точку, из которой все когда-то начиналось.

Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, и пространство в ней было искривлено наподобие поверхности седла. В третьей модели Вселенная также расширялась бесконечно, но пространство ее было плоским. Если развитие Вселенной пойдет по одной из этих моделей, то расширение Вселенной будет идти вечно. Через 10¹⁴ лет после Большого взрыва звезды исчерпают свое топливо, так как весь водород, служащий основным топливом для звезд, выгорит, превратившись в гелий. Через 10¹⁷ лет после начала звезды могут потерять свои планеты из-за того, что пролетевшая мимо звезда своим гравитационным полем может увлечь их за собой. Более того, при встрече некоторые звезды могут покинут свои галактики. В результате такого испарения галактики способны потерять до 90% своей массы, а оставшиеся 10% могут сколлапсировать и образовать сверхмассивную черную дыру (примерно через 10¹⁸ лет после Большого взрыва). Еще позже может начаться предсказанный теорией Великого объединения распад протонов. Поэтому, когда возраст Вселенной составит 10³² – 10³⁵ лет, в ней останется только сильно разреженный электрон-позитронный газ, нейтрино, фотоны и сверхмассивные черные дыры. В таком состоянии она будет находиться до 10¹⁰⁰ лет, после чего может начаться испарение черных дыр.

Таким образом, Вселенная будет представлять собой очень разреженный газ, она потеряет всякую структуру и будет постепенно угасать при температуре лишь чуть большей температуры абсолютного нуля. По какому из рассмотренных вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества. Это отношение можно свести к отношению плотности вещества во Вселенной к критической плотности вещества. Если кинетическая энергия разлета вещества превосходит гравитационную энергию, препятствующую разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер, что выражается условием р/р_к< 1, где р – плотность вещества во Вселенной, р_к – критическая плотность вещества. Этот вариант динамической модели называют «открытой Вселенной». Если же преобладает гравитационное взаимодействие, чему соответствует условие р/р_к > 1, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества плоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Для наблюдателя сигналом перехода от расширения к сжатию станет смена красного смещения линий химических элементов в спектрах удаленных галактик на фиолетовое. Такой вариант модели назван осциллирующей, или «закрытой Вселенной». В граничном случае, когда силы гравитации точно равны кинетическим силам, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Возникает естественный вопрос: какой из трех вариантов реализуется в нашей Вселенной? Ответ на него остается за наблюдательной астрономией, которая должна оценить современную среднюю плотность вещества во Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла (скорость расширения галактик). Пока надежные оценки этих величин отсутствуют. Дело в том, что не все вещество Вселенной содержится в галактиках, часть его существует в виде космических лучей, часть – в виде массы межгалактического газа, часть – в виде галактических магнитных полей. Кроме того, есть ненаблюдаемая, скрытая материя, природа которой до настоящего времени не выяснена. Таким образом, средняя плотность вещества точно не известна, поэтому нельзя ответить, насколько эта величина отличается от критической плотности вещества. На основе современных данных создается впечатление, что средняя плотность вещества во Вселенной близка к критическому значению, она либо немного больше, либо немного меньше. Но от этого «немного» зависит будущее нашей Вселенной, правда, весьма отдаленное.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. М., 2003

49. Понятие «химический элемент». Изотопы. Радиоактивные изотопы и их использование

Начало современному представлению о химическом элементе как о «простом теле» или как о пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в состав другого, первым положил Р. Бойль в середине XVII в. Химики того времени не знали ни одного химического элемента. Фосфор был открыт только в 1669 г., а потом повторно в 1680 г., кобальт – в 1735 г., никель – в 1751 г., водород – в 1766 г., фтор – в 1771 г., азот – в 1772 г., хлор и марганец – в 1774 г. Любопытно, что кислород был открыт одновременно в Швеции, Англии и Франции в 1772–1776 гг.

В современном представлении химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Например, если обыкновенный известняк подвергнуть нагреву, получится известь и углекислый газ. Известь и углекислый газ можно подвергнуть дальнейшему разложению (известь на кальций и кислород, углекислый газ на углерод и кислород). Полученные вещества разложению уже не подвергаются. На сегодня известно 116 таких веществ, их называют простейшими веществами или химическими элементами.

Химическое разложение, в результате которого получаются простейшие вещества, называется химическим анализом. В результате химического анализа определяется, какие элементы содержатся в исследуемом веществе. Химическую реакцию анализа упрощенно можно выразить уравнением: А = В + С, где А – исходное сложное вещество, а В и С – полученные вещества (химические элементы).

Все известные на сегодня химические элементы в систематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д.И. Менделеевым, расположены в Периодической системе элементов Менделеева.

Химические элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и др.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т.д.). Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т.е. являются веществами сложными. Незначительное число элементов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие). Ряд химических элементов может существовать в разных модификациях. Так, например, элемент кислород образует два видоизменения; кислород и озон; углерод – три: алмаз, графит и корбин и т.д. Явление видоизменения одного и того же элемента, связанного со сложным внутренним строением химических элементов, называется аллотропией, а образующиеся простейшие вещества – аллотропными видоизменениями или модификациями.

Исследование радиоактивности химических элементов привело к открытию изотопов. С современной точки зрения, изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра. Ядра таких элементов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Почти все элементы имеют два или более изотопов. Например, водород – два, кислород – три, железо – четыре и т.д. Только примерно 24 элемента не имеют изотопов. Изотопы применяют в ядерной технике как конструкционный материал в качестве ядерного горючего в термоядерном синтезе. Радиоактивные изотопы широко используются в качестве источников излучения, в технике меченых атомов и т.д.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Курс лекций. М., 1998

2.    Карпенков С.Х. Современное естествознание: Учебник. М., 2003

3.    Концепции современного естествознания: Учебное пособие / Под ред. С.И. Самыгина. Ростов-на-Дону, 1999

81. Атмосфера. Основные физические и химические характеристики. Биота атмосферы.

Атмосфера Земли представляет собой газовое образование, которое окутывает нашу планету сплошной оболочкой. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте более 2000 км. Граница эта выражена нечетко, так как с высотой газы разрежаются и переходят в мировое пространство постепенно.

Атмосфера сохраняет тепло солнечных лучей, защищает животный и растительный мир от вредного воздействия ультрафиолетовых солнечных и космических лучей. Космические частицы при прохождении через атмосферу рассеиваются, и лишь их ничтожная часть достигает поверхности Земли. Без атмосферы солнечные лучи раскаляли бы освещенную сторону Земли, на неосвещенной был бы ледяной холод, а наша планета была бы такой же безжизненной, как Луна. Важные сведения об атмосфере получены с помощью космических аппаратов серии «Космос» и геофизических ракет.

Атмосфера Земли образована смесью газов, влаги и частиц пыли. Сухой воздух вблизи поверхности Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газов вместе взятых приходится всего лишь 0,01%. К этим газам относятся водород, гелий, криптон, ксенон, радон, закиси азота, йод, водяной пар, озон, метан и др. Так как эти газы имеют различную плотность, то они должны были бы разделиться на отдельные слои, но этому препятствуют непрерывное турбулентное, или хаотическое, движение воздуха и перемещения воздушных масс в виде ветра. Вследствие этого состав атмосферы до высот порядка 100 км существенно не меняется. Выше же состав атмосферы хотя и почти постоянен (это главным образом азот и кислород), но под действием ультрафиолетовой солнечной радиации молекулы кислорода здесь расщеплены на атомы. Выше 110-120 км кислород встречается вообще только в атомарном состоянии. Предполагается, что выше 400-500 км в атомарном состоянии находится и азот.

Влага попадает в атмосферу вследствие испарений с поверхности Земли. Около 90% ее сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое. С высотой количество влаги быстро уменьшается. Это связано с тем, что количество водяного пара в атмосфере существенно зависит от ее температуры: чем она ниже, тем меньше пара, а в нижних слоях атмосферы с высотой температура воздуха понижается.

Если количество водяного пара достигает максимума для наблюдаемой температуры, то он насыщает пространство. Например, при температуре +30 °С в кубометре воздуха может находиться максимум 0,030 кг водяного пара, а при температуре –30°С всего лишь 0,003 кг. Не насыщенный водяным паром воздух с понижением температуры может стать насыщенным. Если воздух уже насыщен водяным паром, а температура продолжает уменьшаться, то пар конденсируется, т.е. превращается в мельчайшие капельки воды. Так образуются облака: при восходящем движении воздух расширяется и охлаждается, а содержащийся в нем водяной пар конденсируется.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров, основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Половина массы атмосферы находится между уровнем моря и высотой 5-6 км, 90% – в слое до 16 км, 99% – в слое до 30 км. Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается: на уровне моря она составляет 1,033 кг/м³, на высоте 12 км – 0,319 кг/м³, на высоте 40 км – всего 0,004 кг/м³.

Вследствие притяжения Земли частицы атмосферы оказывают на все, что находится на поверхности Земли, соответствующее давление. В частности, тело взрослого человека испытывает давление в 12-15 тыс. кг. Однако этого давления человек не ощущает: внешнее давление атмосферы уравновешивается внутренним давлением воздуха в теле человека. Жизнь на Земле приспособлена именно к этому давлению. Но при подъеме на большие высоты самочувствие человека ухудшается как из-за недостатка кислорода, так и из-за пониженного атмосферного давления.

Установлено, что по вертикали атмосфера неоднородна. С высотой изменяется не только атмосферное давление, плотность и температура воздуха, но и электрическое состояние атмосферы, а на больших высотах еще и ее состав. Поэтому в атмосфере выделяют несколько сфер с различными физическими свойствами. К числу этих сфер относятся: тропосфера, стратосфера, мезосфе-ра, термосфера (или ионосфера), экзосфера. Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 8-12 км в умеренных и высоких широтах и до 16-17 км – в тропической и экваториальной зонах. Высота верхней границы тропосферы во внетропических широтах изменяется по сезонам; летом она несколько выше, чем зимой. Ее высота колеблется также ежедневно в зависимости от характера атмосферных процессов и главным образом от изменения температуры. Эти колебания происходят в диапазоне от 7-8 км до 12-14 км.

В тропосфере находится почти весь водяной пар. Поэтому только в тропосфере возникают облака и выпадают дожди, снег, крупа и град, наблюдаются грозы, ливни, метели, гололед и т.д.

Характерная особенность тропосферы – понижение температуры в среднем на 6°С на каждый километр высоты. Объясняется это тем, что для солнечных лучей тропосферный воздух почти прозрачен, он нагревается и охлаждается главным образом от поверхности Земли. Там, где приток солнечной радиации больше, температура воздуха выше. Поэтому в экваториальной и тропической зонах среднегодовая приземная температура составляет около 27°С, а в Центральной Арктике она равна примерно –35°С зимой и 0°С летом. В Антарктиде воздух еще холоднее: в центре ее ледяного плато средняя температура воздуха зимой достигает –40°С и ниже, а летом температура не поднимается выше –15°С.

Вследствие широтного распределения температуры в тропосфере преобладает западный горизонтальный перенос воздуха, то есть между тропиками и высокими широтами Земли преобладают западные ветры. Чем выше над поверхностью Земли, тем ярче они выражены. Как правило, эти ветры достигают наибольшей скорости на высотах 9-12 км. Здесь западные ветры могут стать при определенных условиях сверхураганными: их скорость может превышать 300 км/ч. Горизонтальный перенос воздуха сопровождается вертикальными и турбулентными (неупорядоченными) движениями. Поэтому воздух непрерывно перемешивается. А так как при этом перемещаются огромные объемы, то в тропосфере постоянно образуются и рассеиваются облака, выпадают и прекращаются атмосферные осадки.

Над тропосферой находится стратосфера. Ее нижняя граница расположена на высотах 8-17 км, а верхняя – 50-55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой: в экваториальной зоне от -40°С, а в полярных зонах от –80°С – до температур, близких к 0°С. Стратосфера отличается от тропосферы малой турбулентностью воздушных масс, ничтожным содержанием водяного пара, повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями атмосферы содержанием озона.

Слой воздуха, отделяющий тропосферу от стратосферы, называют тропопаузой. Это сравнительно тонкий слой атмосферы, измеряемый десятками и сотнями метров.

Выше стратосферы до высот порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы составляет -80 °С. Здесь иногда (чаще летом) возникают тонкие облака. Так как при освещении Солнцем из-за горизонта эти облака блестят, их называют серебристыми. Природа серебристых облаков изучена пока недостаточно. Предполагается, что они состоят из частиц пыли. Переходный слой между стратосферой и мезосферой называют стратопаузой.

Между высотами 80 км и 800 км располагается термосфера. На высоте около 100 км температура переходит через 0°С, в слое 150-200 км она доходит до 500°С, а на высотах 500-600 км превышает 1500°С. По данным, полученным с космических летательных аппаратов, в верхней термосфере температура достигает почти 2000°С и в течение суток значительно колеблется. Эти колебания достигают +100°С. В термосфере на температуру существенное влияние оказывает радиация Солнца.

В термосфере газы находятся большей частью в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, обладающих большой энергией, от нейтральных атомов и молекул воздуха отщепляются электроны. Атомы и молекулы, потерявшие по одному или несколько электронов, приобретают положительные заряды, а свободные электроны снова присоединяются к нейтральным атомам или молекулам и наделяют их своим отрицательным зарядом. Такие положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами. Газы, содержащие ионы, то есть получившие электрический заряд, называются ионизированными. Учитывая способность газов термосферы ионизироваться, ее называют также ионосферой.

При большой концентрации ионов газы становятся электропроводными. Заряженные частицы солнечного излучения – корпускулы – под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается свечение газов. Так возникают полярные сияния – красивые многокрасочные полосы, дуги, занавеси, загорающиеся в ночном небе, преимущественно в высоких широтах Земли. Если эти сияния сопровождаются сильными магнитными бурями, то их можно увидеть в умеренной зоне и даже в субтропиках и тропиках. Обычно полярные сияния бывают на высотах около 100 км, но нередко они наблюдаются на высотах и в несколько сотен километров.

Ионосфера влияет на распространение радиоволн. Ионизированные слои отражают средние и короткие радиоволны. Последние вновь возвращаются на земную поверхность, но уже на значительном отдалении от места радиопередачи, причем такие отражения короткие радиоволны способны совершать несколько раз. Это позволяет реализовать с их помощью дальнюю радиосвязь. Однако при вспышках на Солнце и усилении его ультрафиолетового излучения происходят сильные возмущения ионосферы и магнитного поля Земли, приводящие к тому, что ионосфера начинает хуже отражать радиоволны и даже пропускать их в космос. Радиосвязь при этом нарушается.

В некоторых слоях ионосферы концентрация свободных электронов достигает большей, чем в других слоях, величины. Известны четыре таких слоя. Они располагаются на высотах 60-80, 100-120, 180-200 и 300-400 км.

Экзосфера – самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы. Предположительно температура газов в ней достигает 2000 °С.

В конце 1950-х годов внимание ученых привлек к себе слой атмосферы, содержащий одну из модификаций кислорода – озон. Этот газ имеет синий цвет и резкий запах. Он образуется из обычного кислорода при электрических разрядах (например, во время грозы) или под действием ультрафиолетового излучения (например, в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца).

Большая часть озона, находящегося в атмосфере, расположена на высотах от 10 км до 50 км с максимумом концентрации на высотах 20-25 км. Основной слой озона, называемый озоносферой, достаточно тонок: если при нормальных давлении и температуре удалось бы сконцентрировать весь содержащийся в атмосфере озон, то образовалась бы пленка толщиной всего несколько сантиметров.

Озоносфера практически полностью принимает на себя, то есть поглощает, опасное для всего живого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря этому слою оно не доходит до поверхности Земли, и поэтому на нашей планете вот уже сотни миллионов лет существуют условия, благоприятные для развития жизни.

Первые данные глобальных наблюдений за озоносферой появились с приходом эры космических исследований. В частности, было установлено, что местами озоновый слой уменьшается и его толщина приближается к предельной величине, при которой защитные функции озоносферы могут перестать выполняться. В научный обиход были введены такие термины, как озоновые «дыры» и мини-«дыры».

Биота – любая пространственная совокупность всех живых организмов, безотносительно к категории сообщества (например, биота экосистемы, биота суши, биота океана, биота биосферы).

Результаты исследований Т.Фолька и Д.В.Шварцмана, представленные в журнале Nature в 1989 г. подтвердили, что микроорганизмы вместе с растениями в тысячи раз ускоряют выветривание горных пород (В.И.Вернадский обращал внимание на роль биогенного выветривания еще в 30-х годах). Растения всасывают углекислый газ из воздуха в почву, повышая его локальную концентрацию в 10-40 раз. Кроме того, основная масса погибших растений подвергается бактериальному окислению и превращается в двуокись углерода в местах контакта с соединениями кальция, силикатами и водой. Продукты выветривания переносятся речным стоком в океан, где также подключаются живые организмы. Диатомовые водоросли используют кремниевую кислоту, а остальные – бикарбонат кальция для построения своих скелетов. В добавок, океанические водоросли всасывают углекислый газ прямо из воздуха. Отмирающие водоросли формируют меловые известняковые и кремниевые осадочные отложения. Атмосферный углекислый газ создает парниковый эффект. Биота, участвуя в регуляции его концентрации, тем самым регулирует среднюю температуру атмосферы.