Контрольная работа по "Естествознанию"

   Такой процесс может протекать циклически, вследствие чего поверхность нейтронной звезды превращается в сильно турбулентную область, находящуюся в непрерывном волнении. Дрейк из Корнеллского университета на основе собственных наблюдений высказал предположение, что возникает множество крошечных звездотрясений, которые влияют на характер периодичности пульсаров.

   Сразу после образования нейтронная звезда может приобрести очень быстрое  вращение. В дальнейшем, когда вращение замедляется, как это следует  из наблюдений пульсаров, в коре должны постепенно нарастать сильные напряжения, которые также приводят к ее разломам и, следовательно, к звездотрясениям, то есть вулканической и сейсмической активности. Таким образом, вполне допустимо, что на протяжении части жизненной истории нейтронной звезды происходят непрерывные серии звездотрясений. И действительно, как полагают некоторые ученые, внезапные уменьшения периода вращения пульсара Паруса X могут оказаться следствиями звездотрясений. Однако все это только гипотезы, основанные на предположениях; попытки ответить с их помощью на одни вопросы неизбежно порождают множество новых, не менее трудных и каверзных.

   Под поверхностью нейтронной звезды, в слое на глубине  около 2 км, плотность вещества увеличивается  в несколько миллионов раз, так  что 1 см³ его, который у поверхности весил около 100 т, здесь имеет вес примерно 100 млн. т. У основания этого слоя могут находиться тяжелые ядра, обогащенные нейтронами. Кора нейтронной звезды может быть твердой, что позволяет ядрам расположиться в определенном порядке в жесткой кристаллической решетке, подобно тому, как это имеет место в некоторых веществах, существующих на Земле.

   Предположение о том, что кора нейтронной звезды твердая, основано на состоянии атомов в ней. Обычно атом окружен облаком  электронов, надежно экранирующим соседние атомы друг от друга. Взаимодействие между атомами, которое приводит к образованию кристалла, зависит от взаимодействия электронных оболочек. Но, как мы уже видели, в нейтронных звездах электроны свободно движутся в межъядерном пространстве. Они не экранируют одно ядро от другого, и потому ядра, обладая одинаковыми электрическими характеристиками, отталкиваются друг от друга. В результате они выстраиваются в определенном порядке, образуя регулярную решетку и располагаясь друг от друга настолько далеко, насколько это возможно. По этой причине ученые считают, что ядра в недрах белых карликов и коре нейтронных звезд должны образовывать твердые кубические решетки, подобно тому, как это происходит в железе, меди или цинке, но при более высоких плотностях. Может ли такая кора плавиться? Да, но для этого необходима температура в 100 раз выше, чем обычно принимается для поверхности нейтронных звезд. Любопытно отметить, что наличие вырожденного газа обеспечивает высокую электропроводность коры. Она должна проводить электричество в 100 000 раз лучше, чем медь.

   Как указывает  Рудерман, в наименее массивных звездах  кора, по-видимому, простирается вплоть до центра звезды. Это справедливо  для тех звезд, масса которых  составляет около 20% (или меньше) массы Солнца.

   Более массивные звезды имеют и другие слои вблизи центра звезды. Под корой  можно встретить вещество, представляющее собой нейтрон-протон-электронную  жидкость. В этой жидкости отсутствуют  ядра, а протоны и электроны  составляют лишь малый процент общей ее массы. Предполагается, что нейтроны и протоны образуют сверхпроводящую жидкость. Нейтронная сверхтекучая жидкость по своим свойствам напоминает изотоп гелий-4 при температуре вблизи абсолютного нуля. Гелий-4 обладает нулевой вязкостью, и это позволяет ему выползать из стеклянного сосуда, поднимаясь по его стенкам вопреки законам гравитации. Возможно, что протонная сверхпроводящая жидкость — если таковая образуется — должна быть сверхпроводником, способным поддерживать электрические токи и магнитные поля сколь угодно долго. Электроны в недрах нейтронной звезды, двигаясь почти со скоростью света, обусловливают высокую проводимость вещества.

   Вблизи  центра нейтронной звезды плотность  вещества столь высока, что 1 см³ должен весить около 1 млрд. т. Нейтроны, протоны и электроны обладают в нейтронной звезде настолько большой энергией, что превращаются в совершенно иные, экзотические, элементарные частицы, которые на Земле могли бы существовать лишь не более одной миллионной доли секунды, но в недрах нейтронных звезд, как предполагается, они вполне устойчивы. По мнению Рудермана, центральное ядро нейтронной звезды представляет собой уникальное место, где можно встретиться с явлениями,   которые совершенно выходят за рамки нашего земного опыта.

   Другая  попытка дать физическое описание нейтронной звезды была предпринята Роудсом и Руффини из Принстонского университета. Они основывают свою концепцию на уравнении состояния, выведенном Хагедорном из лаборатории ЦЕРНа в Женеве.

   Здесь, как и в модели Рудермана, нейтронная звезда представляется в виде слоеного пирога, слои которого по мере приближения к центру звезды оказываются все более плотными. Физические параметры в обеих моделях подобны. Радиус нейтронной звезды принимается порядка 15 км, а масса — около 0,6—0,7 массы Солнца.

   Наружный  слой представляет собой магнитосферу, состоящую из разреженной электронной  и ядерной плазмы, которая пронизана  мощным магнитным полем звезды. Именно здесь зарождаются радиосигналы, которые являются отличительным  признаком пульсаров. Сверхбыстрые заряженные частицы, двигаясь по спиралям вдоль магнитных силовых линий, дают начало разного рода излучениям. В одних случаях возникает излучение в радиодиапазоне электромагнитного спектра, в иных — излучение на высоких частотах почти сразу же под магнитосферой плотность вещества достигает 1 т/см3, что в 100 000 раз больше плотности железа.

   Следующий за наружным слой имеет характеристики металла. Это слой «сверхтвердого»  вещества, находящегося в кристаллической  форме. Кристаллы состоят из ядер атомов с атомной массой 26—39 и 58—133. Эти кристаллы чрезвычайно малы: чтобы покрыть расстояние в 1 см, нужно выстроить в одну линию около 10 млрд. кристалликов. Плотность в этом слое более чем в 1 млн. раз выше, чем в наружном, или иначе, в 400 млрд. раз превышает плотность железа.

   Двигаясь  дальше к центру звезды, мы пересекаем третий слой. Он включает в себя область тяжелых ядер типа кадмия, но также богат нейтронами и электронами. Плотность третьего слоя в 1000 раз больше, чем предыдущего.

   Глубже  проникая в нейтронную звезду, мы достигаем  четвертого слоя, плотность при этом возрастает незначительно — примерно в 5 раз. Тем не менее, при такой плотности ядра уже не могут поддерживать свою физическую целостность: они распадаются на нейтроны, протоны и электроны. Большая часть вещества пребывает в виде нейтронов. На каждый электрон и протон приходится по 8 нейтронов. Этот слой, по существу, можно рассматривать как нейтронную жидкость,  «загрязненную» электронами и протонами.

   Ниже  этого слоя находится ядро нейтронной звезды. Здесь плотность примерно в  1,5 раза больше,  чем в вышележащем слое.  И тем не менее даже такое небольшое увеличение плотности приводит к тому, что частицы в ядре движутся много быстрее, чем в любом другом слое. Кинетическая энергия движения нейтронов, смешанных с небольшим количеством протонов и электронов, столь велика, что постоянно происходят неупругие столкновения частиц. С возрастанием плотности наиболее быстрые электроны превращаются в отрицательно заряженные мю-мезоны, а при дальнейшем ее увеличении — в отрицательно заряженные пи-мезоны. В процессах столкновения рождаются все известные в ядерной физике частицы и резонансы, которых насчитывается больше тысячи. По всей вероятности, присутствует также большое число еще не известных нам частиц.

   Тогда как в первой модели нейтронной звезды ее ядро было твердым, в 100 000 млрд. млрд. раз превосходящим сталь по упругости, в этой модели ядро неожиданно оказывается мягким. Хагедорн объясняет эту мягкость влиянием экзотических элементарных частиц, непрерывно превращающихся в различные короткоживущие формы. Последние изменяются столь быстро, что на Земле — если бы они в действительности могли здесь рождаться — они были бы не в состоянии существовать сколько-нибудь заметное время.

   Температуры нейтронных звезд сравнительно высоки. Этого и следует ожидать, если учесть, как они возникают. Напомним, что непосредственно перед имплозией, с которой начинается последовательность превращений при взрыве сверхновой, температура в ее центре достигает 10 млрд. К и даже больше. Но за относительно короткое время, много меньше года, температура быстро падает. Далее охлаждение продолжается преимущественно в результате излучения пар нейтрино — антинейтрино. За первые 10—100 тыс. лет существования звезды температура ядра уменьшается до нескольких сотен миллионов градусов. Затем наступает новая фаза, когда температура ядра звезды медленно уменьшается вследствие испускания электромагнитного излучения. Температура поверхности звезды падает быстро. У звезды с массой, равной двум солнечным, температура поверхности понижается примерно на два градуса в год. Хотя это и кажется невероятным, но за время около 1 млн. лет температура звезды падает от 8 до 6 млн/К. Описывая процесс охлаждения звезды, мы, кроме того, пренебрегаем наличием магнитных полей, который могут существенно ускорить охлаждение. 
 
 
 
 

   3. Задача 125. Иерархия живых организмов.

   В развитии биологии выделяют три основных этапа. Первый – систематики (Карл Линней), второй – эволюционный (Чарльз Дарвин), третий – микробиологии (Грегор Мендель).

   Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Первое: живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах. Второе: живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию. Третье: живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражители – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных. Четвертое: живые организмы способны не только изменяться, но и усложняться. Они могут создавать новые органы, отличающиеся от породивших их структур. Пятое: живое способно к самовоспроизведению. Шестое: живые организмы способны передавать потомкам заложенную в них информацию, содержащуюся в генах – единицах наследственности. Эта информация в процессе передачи может видоизменяться и искажаться. Это предопределяет изменчивость живого. Седьмое: живые организмы способны приспосабливаться к среде обитания и своему образу жизни.

   Из  совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

   Структурный или системный анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен и имеет сложную структуру.

   Условно на основе критерия масштабности можно  выделить следующие уровни организации  живого вещества:

1. Молекулярный (молекулярно-генетический) уровень. Отражает особенности химизма живого вещества, а также механизмы и процессы передачи генной информации.
2. Клеточный и субклеточный уровни. Отражают особенности специализации клеток, а также внутриклеточные структуры.
3. Организменный и органно-тканевый уровни. Отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.
4. Популяционно-видовой уровень. Образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
5. Уровень биогеоценозов. Отражает структуры, состоящие из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс – экосистему.
6. Биосферный. Включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

   Элементарной  единицей на молекулярно-генетическом уровне служит ген — фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, в котором записан определенный в качественном и количественном отношении объем биологической (генетической) информации. Элементарное явление заключается, прежде всего, в процессе самовоспроизведения с возможностью некоторых изменений в содержании закодированной в гене информации. Путем редупликации ДНК происходит копирование заключенной в генах биологической информации, что обеспечивает преемственность и сохранность (консерватизм) свойств организмов в ряду поколений. Редупликация, таким образом, является основой наследственности.

   В силу ограниченной стабильности молекул  или ошибок синтеза в ДНК (время  от времени, но неизбежно) случаются  нарушения, которые изменяют информацию генов. В последующей редупликации ДНК эти изменения воспроизводятся в молекулах-копиях и наследуются организмами дочернего поколения. Указанные изменения возникают и тиражируются закономерно, что и делает редупликацию ДНК конвариантной, т.е. происходящей иногда с некоторыми изменениями. Такие изменения в генетике получили название генных (или истинных) мутаций. Конвариантность редупликации, таким образом, служит основой мутационной изменчивости.

   Биологическая информация, заключающаяся в молекулах ДНК, не участвует непосредственно в процессах жизнедеятельности. Она переходит в действующую форму, будучи перенесена в молекулы белков. Отмеченный перенос осуществляется благодаря механизму матричного синтеза, в котором исходная ДНК служит, как и в случае с редупликацией, матрицей (формой), но для образования не дочерней молекулы ДНК, а матричной РНК, контролирующей биосинтез белков. Отмеченное дает основание причислить матричный синтез информационных макромолекул также к элементарному явлению на молекулярно-генетическом уровне организации жизни.

   Воплощение  биологической информации в конкретные процессы жизнедеятельности требует  специальных структур, энергии и  разнообразных химических веществ (субстратов). Описанные выше условия  в живой природе обеспечивает клетка, служащая элементарной структурой клеточного уровня. Элементарное явление представлено реакциями клеточного метаболизма, составляющими основу потоков энергии, веществ и информации. Благодаря деятельности клетки поступающие извне вещества превращаются в субстраты и энергию, которые используются (в соответствии с имеющейся генетической информацией) в процессе биосинтеза белков и других соединений, необходимых организму. Таким образом, на клеточном уровне сопрягаются механизмы передачи биологической информации и превращения веществ и энергии. Элементарное явление на этом уровне служит энергетической и вещественной основой жизни на всех других уровнях ее организации.