Контрольная по "Концепции современного естествознания"

Есть основания считать, что по мере развития науки все  эти современные особенности естественнонаучного познания будут проявлять себя еще более контрастно и очевидно.

Вопрос о возникновении  из обычного сложного считается в  науке одним из самых сложных. Только во второй половине XX в. наука  стала осваивать сложные системы  теоретически. В данной связи возникла особая наука, синергетика, теория самоорганизации  сложных систем.

Синергетика - современная  теория самоорганизующихся систем, основанная на принципах целостности мира, общности закономерностей развития всех уровней  материальной и духовной организации; нелинейности (многовариантности, альтернативности) и необратимости, глубинной взаимосвязи  хаоса и порядка, случайности  и необходимости.

Для систем, имеющихся в  естественной природной среде, характерны устойчивость относительно внешних  действий, возможность к самоусложнению, развитию, росту, самообновляемость  и согласованность всех составных  частей. Для систем же, являющихся творением  рук человеческих, свойственны такие  черты, как резкое ухудшение функционирования даже при сравнимо маленьком изменении  внешних действий либо ошибках в  управлении.

При этом сам собой напрашивается  вывод: необходимо позаимствовать опыт построения организации, скопленный природой, и употреблять его в нашей  деятельности. Отсюда вытекает одна из задач синергетики: выяснение законов  построения организации, возникновения  упорядоченности. В различие от кибернетики  тут упор делается не на действиях  управления и обмена информацией, а  на принципах построения организации, её возникновении, развитии и самоусложнении.

Имея дело с открытыми (имеющими источники и стоки энергии) нелинейными системами, синергетика  утверждает, что мир возникает  в итоге самопроизвольных и самоорганизующихся устройств. В их базе лежит единая симметрия форм в живой и неживой  природе. К примеру, спирали Галактики  и циклона подобны спирали  раковины улитки, рогов животных. Есть общность структуры Вселенной и  живой природы, урбанизации и  географического распределения населения и т.п.

Синергетика объясняет, почему образуются конкретно эти структуры. Она доказывает положение, согласно которому подобные структуры являются структурами эволюционными. Функциональная общность действий самоорганизации  систем, их устойчивость поддерживается законами ритма (день - ночь, подъем - спад в творческой активности человека, в экономике и т.п.).

i.3. Почему «светят» звезды?

Звезды – космические  объекты, выделяющие колоссальное количество тепловой энергии. Выделение тепловой энергии сопровождается мощным световым излучением. Этот свет, дошедший до нас, мы и наблюдаем. В звездах сосредоточено более 95% всего вещества, существующего в природе.

Вещество звезд представляет собой плазму, т.е. находится в  ином состоянии, чем вещество в привычных  для нас земных условиях. Плазма — это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга. В земных условиях плазма встречается  очень редко — в электрических  разрядах в газах, молнии, в процессах  горения и взрыва и др. Около  Земли плазма существует в виде солнечного ветра, радиационных поясов, ионосферы  и др. Зато во Вселенной в состоянии  плазмы находится подавляющая часть  вещества. Кроме звезд, это — межзвездная  среда, галактические туманности и  др. Итак, строго говоря, звезда — это  не просто газовый шар, а плазменный шар.

Звезда — динамическая, направленным образом изменяющаяся плазменная система. В ходе жизни  звезды ее химический состав и распределение  химических элементов значительно  изменяются. На поздних стадиях развития звездное вещество переходит в состояние  вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах — давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного  вещества (пульсары — нейтронные звезды, барстеры — источники рентгеновского излучения и др.).

        Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии — гравитационное сжатие, приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.

      Как показывают расчеты, энергии гравитационного сжатия было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн. лет. Но из геологических и других данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение миллиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд. С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах, в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные реакции могут выделять необходимое количество энергии, составляет, по различным расчетам, от 12 до 15 млн. К. Такая колоссальная температура достигается в результате гравитационного сжатия, которое и «зажигает» термоядерную реакцию. Таким образом, в настоящее время наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Большую роль в динамике звездных процессов, в звездной эволюции играет межзвездная среда, тесно  связанная со звездами: в межзвездной  среде они рождаются, а «умирая», отдают ей свое вещество. Таким образом, между звездами и межзвездной  средой происходит кругооборот вещества: межзвездная среда —> звезды —> межзвездная среда. В ходе такого кругооборота межзвездная среда  обогащается создаваемыми в недрах звезд химическими элементами. Около 85% всех химических элементов тяжелее  гелия возникло на заре нашей Галактики, примерно 15 млрд. лет назад. В то время происходил интенсивный процесс звездообразования, а время жизни, эволюции массивных звезд было относительно коротким. Лишь 10—13% химических элементов (тяжелого гелия) имеют возраст менее 5 млрд. лет.

Межзвездная среда состоит  на 90% из межзвездного газа, который  довольно равномерно перемешан с  межзвездной пылью (около 1% массы  межзвездной среды), а также космических  лучей, пронизывается межзвездными магнитными полями, потоками нейтрино, гравитационного и электромагнитного  излучения. Все компоненты межзвездной  среды влияют друг на друга (космические  лучи и электромагнитное поле ионизируют и нагревают межзвездный газ, магнитное поле определяет движение газа и др.). Проявляет себя межзвездная среда в ослаблении, рассеянии, поляризации света, поглощении света в отдельных линиях спектра, радиоизлучении, инфракрасном, рентгеновском и гамма-излучениях, через оптическое свечение некоторых туманностей и др.

Основная составляющая межзвездной  среды — межзвездный газ, который, как и вещество звезд, состоит  главным образом из атомов водорода (около 90% всех атомов) и гелия (около 8%); 2% представлены остальными химическими  элементами (преимущественно кислород, углерод, азот, сера, железо и др.). Общая  масса молекулярного газа в нашей  Галактике равна примерно 4 млрд. масс Солнца, что составляет примерно 2% всей массы вещества Галактики. Из этого вещества ежегодно образуется примерно 10 новых звезд! Водород — главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего в звездах. Запасы его в звездах настолько велики, что ядерные реакции могут протекать в течение миллиардов лет. При этом, до тех пор пока в центральной зоне весь водород не выгорит, свойства звезды изменяются мало.

Звезды различаются большим разнообразием размеров, массе, светимостей, цветом, температурой. Цвет звезды зависит от температуры. При 3000 К звезда красная, при 6000 К – желтая, при 10000 К – белая, при больших – голубая. Время существования звезд зависит от массы. Массивные звезды существуют меньше, чем легкие. Диапазон времен существования звезд состоит от 100 млн. до сотен миллиардов лет. В звездах произошло и происходит образование большинства химических элементов, из которых состоит вещество окружающего нас мира.

Нуклеосинтез: происхождение  химических элементов. Долгое время  наука не могла раскрыть одну из главных тайн природы – загадку  происхождения элементов периодической  системы Менделеева. Современная  астрофизика дает ответ на этот вопрос. Именно в недрах звезд происходит нуклеосинтез — цепочка тех ядерных реакций, в ходе которых тяжелые ядра химических элементов образуются из более легких ядер.

В период стабильного развития звезд в ходе термоядерных реакций  происходит синтез гелия из водорода, а  в недрах красных гигантов, при температуре свыше 150 млн градусов, начинается новый этап ядерных реакций, в ходе которых происходит горение уже не водорода, а гелия: три ядра гелия образуют ядро углерода (⁴Не+⁴Не+⁴Не –» ¹²С+ γ)- Последнее, взаимодействуя с ядром гелия, дает ядро кислорода (¹²С+⁴Не –> ¹⁶О+ γ), а синтез ядра кислорода с ядром гелия – неон (²⁰Ne) и т.д., вплоть до кремния (²⁸Si). Так постепенно гелиевое ядро преобразуется в углеродно-кислородное ядро.

На следующем этапе  ядерных реакций начинаются реакции  углеродного горения. При этом происходит резкое взрывное повышение температуры  еще на один-два порядка, т.е. до миллиардов и десятков миллиардов градусов. В  этих условиях реализуются сложные  и многовариантные цепочки ядерных  реакций, которые ведут к образованию  химических элементов так называемого  железного пика (Fe, Ni, Mn и др.). Но более  тяжелые элементы не могут образовываться в результате непосредственного  взаимодействия заряженных частиц (ядер), так как для их синтеза необходимо больше энергии, чем высвобождается в процессе реакции.

На этом этапе подключается новый «механизм», связанный с  ядерными реакциями нейтронов, для  которых электростатический барьер значения не имеет. Механизм получил  название нейтронного захвата: нейтрон, проникая в ядро, связывается там. В результате может образоваться стабильное ядро изотопа нового химического  элемента. В этом случае нейтроны и  протоны ведут себя устойчиво. Если же ядро оказывается нестабильным, перегруженным нейтронами (их число  превышает число протонов), то происходит реакция бета-распада, в ходе которой  нейтрон  превращается в протон  с образованием электрона и нейтрино. При таком распаде ядро превращается в изотоп следующего в периодической системе химического элемента.

Ядерная астрофизика выделяет еще ряд менее значимых процессов  нуклеосинтеза, включая реакции  с участием протонов, реакций скалывания легких ядер с тяжелых и др. Хотя теорию нуклеосинтеза еще нельзя считать полностью завершенной, тем не менее основные ее положения и выводы хорошо согласуются с наблюдениями, экспериментальными данными, в том числе и с новейшими достижениями нейтринной астрономии. В частности, одно из важных следствий этой теории состоит в том, что наше Солнце является звездой не первого, а второго либо даже третьего поколения звезд. Солнце и Солнечная система возникли тогда, когда в недрах звезд предшествующих поколений уже были синтезированы тяжелые элементы и выброшены в пространство Вселенной. Из вещества, обогащенного этими тяжелыми элементами, и образовалась наша Солнечная система.

Поздние стадии эволюции звезды: от красного гиганта да белого карлика  и далее. Именно на стадии красного гиганта осуществляются основные реакции  нуклеосинтеза после выгорания  водорода. В результате изменения  химического состава, роста давления, пульсаций и других процессов  красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное  пространство. Динамическое равновесие звезды нарушается, нарастают разрушительные тенденции, происходит периодический  сброс верхних оболочек. В этом случае звезда наблюдается как ядро планетарной туманности. Планетарная  туманность — это система, состоящая  из звезды (ядра туманности) и симметрично  окружающей ее светящейся газовой оболочки (их может быть несколько), расширяющейся  в пространстве достаточно большой  скоростью (20—40 км/с). По мере разряжения свечение оболочки ослабевает и она  становится невидимой. Планетарные  туманности обогащают межзвездную  среду химическими элементами.

Так постепенно красный гигант теряет свою массу, исчерпывает термоядерные источники энергии. На завершающем  этапе нуклеосинтеза в недрах красного гиганта наступает нейтронизация  вещества — процесс, в ходе которого электроны под громадным давлением  как бы «вдавливаются» в атомные  ядра, взаимодействуют с протонами  и превращаются в нейтроны. Красный  гигант охлаждается, остывает. Теперь судьба звезды зависит от массы оставшегося  ядра.

При массе менее 1,4 массы  Солнца звезда, обладая громадной  плотностью (сотни тонн на 1 см³), в основном сохраняет свое стационарное, равновесное состояние. Такие звезды называются белыми карликами. Белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта и появляется на свет тогда, когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои, образуя планетарную туманность. Поэтому белые карлики, окруженные остатками оболочки, выглядят обычно как планетарные туманности. Белый карлик не имеет ресурсов для термоядерных реакций, он постепенно охлаждается, причем время охлаждения достаточно велико — примерно 10⁹ лет. Это время сравнимо с возрастом Галактики.

Когда энергия звезды иссякнет, звезда меняет свой цвет с белого на желтый, затем на красный; наконец, она  перестает излучать и начинает непрерывное  путешествие в необозримом космическом  пространстве в виде маленького темного  безжизненного объекта. Так белый  карлик медленно превращается в мертвую  холодную звезду, размер которой обычно меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной. Плотность такой  звезды в миллиарды раз выше плотности  воды. Так заканчивают свое существование  большинство звезд.