Концепции современного естествознания

Понятие энтропии В 1865 году Клаузиус ввел новое понятие «энтропия» (entropia — от греч. «поворот», «превращение»). Клаузис посчитал, что существует некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты, то энтропия S возрастает на величину, равную В течение длительного времени ученые не делали различий между такими понятиями, как температура и теплота. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует различать. Так, при таянии льда теплота расходуется, а температура льда не изменяется в процессе плавления. После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает граница четкого различения таких понятий, как теплота и температура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющейся величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии. В то же время введенная Клаузиусом энтропия оказалась величиной, сохраняющейся в обратимых процессах. Это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.

Покажем, что в идеальном цикле Карно энтропия сохраняется.

Рассмотрим Из этого соотношения следует, что энтропия рабочего тела на 1-й стадии возрастает ровно настолько, насколько она уменьшается на 3-й стадии. На 2-й и на 4-й стадиях энтропия рабочего тела не изменяется, так как процессы здесь протекают адиабатически, без теплообмена.

Иными словами, в случае обратимых процессов, то есть, S = const — энтропия изолированной системы в случае обратимых процессов постоянна.

При необратимых процессах получаем закон возрастания энтропии:

Для того чтобы осуществить обратимый процесс, необходимо, как это уже упоминалось, добиться очень медленного расширения или сжатия рабочего тела, чтобы изменения системы представляли собой последовательность равновесных состояний. В таком цикле совершение какой-либо полезной работы потребует бесконечно большого времени. Чтобы получить работу в короткие промежутки времени, то есть хорошую мощность, приходится нарушать условия идеального цикла. А это сразу приведет к неодинаковости температуры на разных участках системы, к потокам тепла от более горячих участков к менее горячим, то есть к возрастанию энтропии системы.

Для описания термодинамических процессов I начала термодинамики оказывается недостаточно, ибо I началотермодинамики не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Тот факт, что энтропия изо лированной системы не может убывать, а только возрастает и достигает максимального значения в равновесном состоянии, является отражением того, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении — в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.

Существуют различные формулировки II начала термодинамики. Все они являются эквивалентными. Приведем некоторые из них:

1.Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

В природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении — в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.

2.КПД любой тепловой машины всегда меньше 100%, то есть невозможен вечный двигатель (перпетуум-мо биле) II рода (так как невозможно построить тепловую машину, работающую не за счет перепада теплоты, а за счет теплоты одного нагревателя).

КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.

3.Энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система, предоставленная самой себе, переходит из менее вероятного со стояния в более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна

Энтропия и вероятность В основе термодинамики лежит различие между двумя типами процессов — обратимыми и необратимыми.

Понятие энтропии позволяет отличать в случае изолированных систем обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает).

Благодаря работам великого австрийского физика Людвига Больцмана, это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопический. Состояние макроскопического тела (системы), заданное с помощью макропараметров (параметров, которые могут быть измерены макроприборами — давлением, температурой, объемом и другими макроскопическими величинами, характеризующими систему в целом), называют макросостоянием.

Состояние макроскопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что оказываются заданными состояния всех образующих тело молекул, называется микросостоянием.

Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом W, или термодинамической вероятностью макросостояния. Попробуем разобраться в этом.

Мы знаем, что весь окружающий мир состоит из молекул и атомов. Поместим в некоторый сосуд с теплоизолированными стенками некоторое количество газа, число молекул которого равно N. Выделим какую-либо одну молекулу. Предположим, что каким-либо образом мы можем ее пометить, скажем, можем окрасить ее в зеленый цвет. Если бы мы могли это сделать, то получили бы возможность отличать ее от других молекул и тем самым отследить ее поведение в данном объеме. Наблюдая за этой молекулой, мы очень скоро убедимся, что она может занимать любое положение в сосуде. Причем положение ее в любое мгновение оказывается случайным.

Теперь разделим наш объем на две половины. Мы увидим, что наша молекула, беспорядочно блуждая, постоянно натыкаясь (сталкиваясь) с другими молекулами, пробудет в одной из половинок сосуда ровно половину времени, в течение которого мы за ней наблюдаем. В этом случае, говорят, что вероятность ее пребывания в одной из половинок сосуда равна ½. Если мы будем наблюдать уже за двумя мечеными молекулами, то вероятность того, что мы обнаружим сразу обе молекулы в одной из половинок сосуда, окажется равной произведению вероятностей каждой молекулы ½ * ½ = ¼. Аналогично для трех молекул эта вероятность равна (½)3, а для N молекул — (½)N. В 29 граммах воздуха, например, содержится число молекул N, равное 6,023 * 1023. Соответственно, вероятность нахождения сразу всех молекул в одной половине объема сосуда (½)N ничтожно мала. Такое событие является маловероятным. Нам это и не кажется странным. Странным было бы, если бы в одной комнате все молекулы воздуха вдруг в некоторый момент времени собрались бы в одной ее половине, а в другой половине оказалось бы безвоздушное пространство. И если бы мы не успели или не догадались, что надо срочно перепрыгнуть в нужную половину комнаты, то умерли бы от кислородного голодания. Мы знаем, что такое событие является маловероятным. Вероятность же того, что все молекулы находятся во всем объеме данного сосуда, максимальна и примерно равна единице. Состояние это может реализовываться наибольшим числом способов, когда любая из молекул может находиться в любой точке пространства сосуда. В этом случае статистический вес, то есть число способов, которым может быть реализовано это состояние, максимальный.

Пусть в некоторый момент времени нам удалось загнать все молекулы с помощью диафрагм (перегородок) в правую верхнюю часть сосуда. Остальные ¾ объема сосуда оставались при этом пустыми. Далее уберем диафрагмы и увидим, что молекулы заполнят весь объем сосуда, то есть перейдут из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. То есть процессы в системе идут только в одном направлении: от некоторой структуры (порядка, когда все молекулы содержались в верхнем правом углу объема сосуда) к полной симметрии (хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда).

Больцман первым увидел связь между энтропией и вероятностью. При этом он понял, что энтропия должна выражаться через логарифм вероятности. Ибо если мы рассмотрим, скажем, две подсистемы одной системы, каждая из которых характеризуется статистическим весом, соответственно W1 и W2, полный статистический вес системы равен произведению статистических весов подсистем:

в то время как энтропия системы S равна сумме энтропии подсистем:

Больцман связал понятие энтропии S с InW. В 1906 году Макс Планк написал формулу, выражающую основную мысль Больцмана об интерпретации энтропии как логарифма вероятности состояния системы:

S = k lnW

Коэффициент пропорциональности к был рассчитан Планком и назван постоянной Больцмана. Формула «S = k lnW» выгравирована на памятнике Больцману на его могиле в Вене.

Идея Больцмана о вероятностном поведении отдельных молекул явилась развитием нового подхода при описании систем, состоящих из огромного числа частиц, впервые развитого Максвеллом. Максвелл пришел к пониманию того, что в этих случаях физическая задача должна быть поставлена иначе, чем в механике Ньютона. Очевидно, что наш пример с мечеными молекулами сам по себе неосуществим, ибо в принципе невозможно проследить в течение значительного интервала времени за движением отдельной молекулы. Невозможно также определить точно координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновременно в данный момент времени. Задачу следует ставить иначе, а именно — попытаться найти вероятность того, что данная молекула обладает таким-то значением скорости. Максвелл ввел для описания случайного характера поведения молекул понятие вероятности, вероятностный (статистический закон). Используя новый подход, Максвелл вывел закон распределения числа молекул газа по скоростям. Этот закон вызвал длительную дискуссию, длившуюся десятилетия вплоть до изготовления молекулярных насосов, позволивших произвести экспериментальную проверку закона. В 1878 году Больцман, как уже говорилось, применил понятие вероятности, введенное Максвеллом, и показал, что второй закон термодинамики также является следствием более глубоких статистических законов поведения большой совокупности частиц.

Таким образом, с развитием статистической физики и термодинамики на место причинных динамических законов становятся статистические законы, позволяющие предвидеть эволюцию природы не с абсолютной достоверностью, а лишь с большой степенью вероятности.

Порядок и хаос. Стрела времени Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к уменьшению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальной W, соответствующего состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самопроизвольной эволюции системы. Закон этот обойти нельзя, возрастание энтропии является платой за любой выигрыш в работе, оно присутствует во всех физических явлениях. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Иными словами, в равновесном состоянии существует состояние молекулярного хаоса, что означает полное забвение системой своего начального состояния, несохранения системой информации о своем прошлом.

По словам Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, стрелу времени. Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку. Старая концепция движения, которая не обращала должного внимания на необратимые процессы, по существу, описывала движение как постоянное повторение одного и того же круга превращений.

Сформулировав II начало термодинамики, Клаузиус проводит четкую границу между движением как повторением и движением как необратимым процессом. «Часто приходится слышать, — пишет он, — что все в мире происходит в замкнутом круге… Когда первый основной принцип механической теплоты был сформулирован, его, пожалуй, можно было счесть за блестящее подтверждение вышеупомянутого мнения… Но второй основной принцип механической теплоты противоречит этому мнению решительным образом… Отсюда вытекает, что состояние Вселенной должно все более и более изменяться в определенном направлении» .

Принцип возрастания энтропии Принцип возрастания энтропии составляет сущность II начала термодинамики. II начало термодинамики, в общем-то, хорошо известно и понятно каждому человеку, ибо с ним каждый из нас сталкивается буквально на каждом шагу. Не удивительно потому, что II начало термодинамики было установлено даже раньше I начала термодинамики. Правда, первоначальная формулировка его еще не содержала понятия энтропии.

Существует точка зрения, что первая формулировка II закона термодинамики принадлежит Жану-Батисту Жо-зефу Фурье, префекту Изера, которому в 1811 году была присуждена премия французской Академии наук за математическую теорию распространения тепла. Фурье сформулировал закон теплопроводности, согласно которому количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления, прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления. Причем, что характерно, количество теплоты переносится от тел с большей температурой в направлении к телам с меньшей температурой. Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор, пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы станет одинаково.

Фурье оказался первым, кто количественно описал явление, составляющее элемент обыденного знания человека, и в то же время немыслимое с точки зрения классической ньютоновской механики, все законы которой являются обратимыми. Немыслимое по той причине, что явление теплопроводности описывает необратимые процессы.

Дальнейшая судьба понятия необратимости в науке связана с упоминаемой в предыдущей главе работе С. Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» .

Единство и многообразие органического мира.

Еще на заре развития человеческой культуры людей поражала не только целесообразность строения отдельных живых существ, но и тот «порядок», который существует в живой природе в целом. Уже в древнейших индийских, египетских, китайских источниках и особенно в античной философии можно найти много интересных мыслей о взаимосвязи между животными и растениями, о единстве и целостности органического мира и его закономерном взаимодействии с органической природой.

В истории биологии видное место занимает борьба материалистического толкования единства, целостности и многообразия живой природы с идеалистическими представлениями о божественном творении животных и растений, о гармонии, приданной миру творцом. С развитием науки материалистические представления о единстве и многообразии живых существ все более конкретизировались и углублялись. Важную роль в этом сыграло изучение великого множества органических форм, населяющих Землю.

Многообразие органического мира не ограничивается числом различных видов. Виды, в свою очередь, состоят из молодых и взрослых индивидуумов, многие — из самцов и самок, у некоторых общественных насекомых имеются матки, трутни, рабочие и солдаты, и, наконец, у большинства видов есть разновидности, географические расы и экологические формы. Для них характерны определенные строения и образ жизни.

При всем многообразии органический мир — не что-то разрозненное и хаотичное. Напротив, он представляет собой единое целое. Единство живой природы, как и мира в целом, выражается в ее материальности. Все виды животных и растений представляют собой различные формы существования живой материи. Как бы ни отличались друг от друга отдельные виды животных, растений и микроорганизмов, всем им присуще определенное биохимическое единство, выражающееся в общности химического состава (белков, углеводов, жиров, ферментных и гормональных систем и др.) и близости типов реакций, лежащих в основе процессов ассимиляции и диссимиляции. Одним из выражений такой близости служит, например, сходство химического состава растительного пигмента хлорофилла с животными кровяными пигментами — гемоглобинами и гемо-цианинами, обеспечивающими дыхание. Близки химически ферменты растений и животных, и одинакова общая роль белков и нуклеиновых кислот; у всех животных, от простейших до человека, основные ферменты сходны. Есть и много других признаков удивительной биохимической общности всех отделов органического мира. В то же время имеются и специфические особенности биохимизма, отличающие животных от растений, бактерии от вирусов, а порой даже одну разновидность от другой. Сходность основных биохимических и физиологических особенностей животных, растений и микроорганизмов дополняется едиными чертами их строения и особенно тем, что клетка является основой структуры всех организмов. Существенным моментом, характеризующим единство органического мира, является наличие некоторых общих законов, по которым живут и развиваются все виды животных и растений. Таков закон единства живого тела и условий жизни, закон естественного отбора, закон взаимосвязи индивидуального и исторического развития организмов и т. д.

Органический мир представляет собой единое целое, но в то же время он дискретен, т. е. состоит из отдельно существующих частей. Эти части соподчинены и образуют целостную систему, каждая часть обладает самостоятельностью, т. е. в определенных отношениях является и целым. Обладая известной автономией, части входят в состав более крупных структурных единиц, образуя разные ступени организации — от клетки до органического мира как целого.

Как и всякое вещество, живая материя построена из молекул и атомов. Их взаимодействие, обусловливающее обмен веществ или проявление жизни на молекулярном уровне, изучают биохимия и биофизика. Следующей по величине частью живого являются клетки, образующие ткани и органы. Отличаясь высокой степенью интеграции частей, организмы обладают неизмеримо большей автономностью по отношению друг к другу, нежели составляющие их органы и части.

Но автономность организмов (особей, индивидуумов) тоже относительна, они существуют лишь как составные части популяций. Популяции представляют собой совокупности свободно скрещивающихся особей одного вида, занимающих определенные территории — биотопы. Совокупность таких территориальных популяций составляет вид, распространенный на определенной части земной поверхности, к условиям которой он приспособился.

Почти каждый вид состоит из различающихся по строению, но в то же время кровнородственных групп индивидуумов; у многих животных личинки не только отличаются по внешнему виду, строению и физиологии, но и живут в других местах либо питаются иной пищей и имеют многие другие особенности. Также отличаются самцы и самки, а у многих видов насекомых, паразитических червей и других известны пищевые расы, живущие за счет разных кормов или по-разному размножающиеся, например, озимые и яровые расы рыб. Вид, таким образом, представляет не простое собрание одинаковых индивидуумов, а сложную систему группировок, соподчиненных, тесно связанных друг с другом и тем самым поддерживающих существование друг друга.

Объединение разнородных индивидуумов в популяции, а различных популяций в виды создает много преимуществ в борьбе за существование и обеспечивает более активные отношения вида со средой, поскольку здесь возникают более активные сложные формы групповой жизнедеятельности. Морфологическое разнообразие внутри вида, существование географических рас (подвидов) и биологических форм расширяют использование видом среды и имеют важное значение для успеха его борьбы с другими видами.

Изучением видов заняты систематика, экология, палеонтология, биогеография и популяционная генетика.

Наконец, популяции разных видов образуют сообщества (биоценозы), занимающие отдельные участки земной поверхности. В каждый биоценоз, где бы он ни находился, входят хлорофиллоносные растения, питающиеся ими растительноядные животные, хищники и паразиты, живущие за счет растительноядных животных, и, наконец, микроорганизмы, минерализующие трупы животных и растений. Такие сообщества представляют собой целые системы, где существование одних видов без других невозможно, так как их обмен веществ приспособлен друг к другу и одни виды используют продукты метаболизма других видов или их самих в качестве пищи. В биоценозах на основе взаимодействия составляющих их видов возникают новые формы отношений живых существ с неживой природой. Биоценозы отдельных биотопов и природных зон на основе общего круговорота веществ объединяются в единую систему — органический мир. Экология (биоценология) и биогеография изучают эти сложные системы многих видов.

Все части единого органического мира отличаются не только степенью самостоятельности и автономности, но и тем, что по мере их усложнения на каждой ступени возникают качественно новые, все более сложные проявления жизни, при этом углубляется и расширяется взаимодействие живого с неорганической средой.

Единство многообразной и сложно организованной живой природы выражается во взаимосвязях и взаимодействии качественно различных видов животных, растений и микроорганизмов. Эти взаимоотношения и служат основой возникновения и развития сообществ, состоящих из разных видов. Такова структура органического мира, покоящаяся на основном свойстве живой материи — обмене веществ и энергии со средой.

Будучи единым целым, живая природа не представляет собой какой-то замкнутой автономной системы. Она находится в тесном единстве и взаимодействии с окружающей ее неживой природой. Тела животных и растений состоят из тех же химических элементов, в них действуют те же химические и физические законы, которые присущи неживой природе. Неживая природа не только породила живое на определенной ступени своего развития, но и является необходимым условием его существования и развития. Существование жизни обеспечивается взаимодействием каждой особи с окружающей ее абиотической и биотической средами, а также взаимоотношениями всего органического мира как целого с неживой природой. Первое исторически обусловило строение индивидуумов, их приспособленность к определенным условиям. Второе осуществляется посредством определенной организации видов и образованием сообществ различных форм животных, растений и микроорганизмов.

Единство, тесная взаимосвязь организмов с окружающими абиотической и биотической средами нашли яркое выражение в трудах русского биолога К. Ф. Рулье, русского физиолога И. М. Сеченова. Углубил эти представления о единстве организмов и среды И. В. Мичурин. «Каждый организм, каждое свойство, каждый член, все внутренние и наружные части всякого организма, — писал он, — обусловлены внешней обстановкой его существования. Если организация растения такова, какова она есть, то это потому, что каждая ее подробность исполняет известную функцию, возможную и нужную только при данных условиях» 3. Разнообразные формы животных, растений и микроорганизмов отличаются друг от друга величиной, формой, строением, функциями (характером жизнедеятельности), местами обитания (географическим распространением), органическим веществом, синтезируемым с помощью хлорофилла. Помимо растений это делают бактерии — хемосинтетики, использующие при синтезе энергию химических превращений. За счет растений живут другие организмы. Животные питаются готовыми органическими веществами и являются его потребителями (консументами). Наконец, значительная часть микроорганизмов (большая часть бактерий и низших грибов — актинолицетов) существует за счет мертвого органического вещества (трупов животных и растений), разлагая его и возвращая к исходному неорганическому состоянию. Поэтому их называют разрушителями (редуцентами) органического вещества. Другие микроорганизмы ведут паразитический образ жизни, существуя за счет живых растений и животных.

Таким образом, животные, растения и микроорганизмы не просто сосуществуют, а живут за счет друг друга, находятся в необходимой связи, без которой их жизнь невозможна. Эти связи сложились исторически в ходе развития органического мира в результате противоречий, с одной стороны, между живой и неживой природой, с другой — между организмами, каждый из которых для своих партнеров представляет часть окружающей его среды, причем часть относительно более важную, нежели неорганическая природа.

Строение и эволюция звезд и земли.

Происхождение и эволюция Земли Время существования Земли делится на два существенно различных периода: ранняя история и геологическая история. I. Ранняя история Земли разделяется на три фазы эволюции: фазу рождения, фазу расплавления внешней сферы и фазу первичной коры (лунную фазу). Охарактеризуем их кратко. Фаза рождения продолжалась 100 млн лет. При этом на растущую Землю падало большое количество крупных тел. Вместе с крупными телами на Землю падали и самые крупные объекты — планетезимали, зародыши «неудавшихся» планет. Их поперечники измерялись многими километрами и даже первыми десятками километров. В фазу рождения Земля приобрела приблизительно 95% современной массы. Фаза расплавления датируется 4,6−4,2 млрд лет назад (длительность 0,4 млрд лет). Во время аккреции Земля долго 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 сначала внешней зоны планеты, потом и внутренней области. Наступила продолжительная фаза гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические элементы и их соединения опускались вниз, легкие поднимались вверх. Поэтому постепенно в процессе дифференциации вещества в центре Земли сосредоточивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых образовалось ядро, из более легких соединений возникла мантия Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородосодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились. Лунная фаза продолжалась 400 млн лет от 4,2 до 3,8 млрд лет назад. При этом остывание расплавленного вещества внешней сферы Земли привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава. В это же время происходило формирование гранитного слоя материковой коры. Континенты сложены в основном гранитами и гнейсами, т. е. горными породами, содержащими 65−70% кремнезема Si02 и значительное количество щелочей — калия и натрия. Между тем ложе океанов выстилается базальтами — породами, содержащими 45−50% Si02 и богатыми магнием и железом. Таким образом, континенты оказываются построенными менее плотным, более легким материалом, чем дно океанов. К тому же кора континентов намного толще (в среднем 35−40 км), чем кора океанов (5−7 км). Благодаря этому континенты минимум на 5−6 км возвышаются над ложем океанов. На некоторой глубине, где в верхней мантии находится пластичный слой (так называемая астеносфера), легкие, но толстые континентальные глыбы и тяжелые, но тонкие океанские плиты должны уравновешивать друг друга (закон изостазии, равновесия). Поэтому, главным фактором формирования рельефа земной поверхности является взаимодействие движущихся в горизонтальном направлении литосферных плит. В зонах разлома плит, проходящих в океанах, происходит образование срединно-океанских хребтов. Из-за широкого распространения метеорных кратеро фаза существования ранней коры называется лунной фазой В лунную фазу существования Земля постепенно охлаждалась от температуры плавления базальтов (1000−800 °С) до 100 °C. С преодолением температурного рубежа +100 °С связано все последующее преобразование природной среды и эволюция земной коры. II. Геологическая история — это принципиально новый период развития Земли как планеты в целом, так и особенно ее коры и природной среды. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100 °C на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. В структурном отношении круговорот распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), ли-тосферное (поверхностные и подземные стоки), океаническое. В процессе круговорота происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земной поверхности. Глобальная эволюция Земли происходила под влиянием факторов — космического, эндогенного и экзогенного. К эндогенной энергии относится гравитационная энергия. Земля обладает наибольшей массой из планет земной группы и поэтому имеет наибольшую внутреннюю энергию — радиогенную, гравитационную и др. В экзогенном факторе необычайную активность проявила вода, находившаяся раньше в виде пара в атмосфере. Земля стала тем космическим телом, которое оказалось неблагоприятным для длительного сохранения ударных кратеров вследствие высокой активности действующих на ней экзогенных процессов разрушения. За счет парникового эффекта температура поверхности повышается на 38°; вместо 250 К (-23 °С) стало 288 К (+15 °С). Если бы этого не произошло, то в природной среде жидкой воды было бы не 95% общего количества в гидросфере, а во много раз меньше. Мощность потока солнечной радиации у верхней границы земной атмосферы (солнечная постоянная) составляет 1,95 (кал/см2) мин, что в годовом исчислении выражается в 1000 (ккал/см2) год. В связи же с шарообразностью Земли, а следовательно, с учетом неосвещенной Солнцем стороны планеты, а 319 также тех пространств земной поверхности, где солнечные лучи падают под острым углом, средняя мощность потока солнечной радиации оказывается равной приблизительно 250 (ккал/см2) год. При альбедо (коэффициент отражения света) Земли 0,33−0,35 в земную атмосферу вступает энергетический поток напряженностью лишь 167 (ккал/см2) год. Часть этой энергии поглощается атмосферой, и лишь 79 (ккал/см2) год задерживается земной поверхностью, трансформируется ею и работает, т. е. возбуждает и поддерживает течение экзогенных процессов. Поглощаемая земной поверхностью солнечная радиация 79 (ккал/см2) год используется следующим образом: 66 (ккал/ см2) год идет на испарение; 11 (ккал/см2) год — на турбулентный теплообмен тропосферного воздуха; 1 (ккал/см2) год — на биологические процессы и химические превращения минералов коры выветривания. Мощность теплового потока из недр Земли на континентах 0,033 (ккал/см2) год. Таким образом, земная поверхность использует на природные процессы солнечную радиацию в количестве 79 (ккал/см2) год, т. е. в 2182 раза больше, чем тепловой поток Земли. Поэтому глобальный процесс формирования географической оболочки и ее функционирования возможен только на основе солнечной радиации с учетом потенциальной энергии силы тяжести масс горных пород. Солнце снабжает Землю теплом, необходимым для поддержания ее температуры в подходящем диапазоне, охватывающем всего около 100°, не нагревая ее чрезмерно. Следует, однако, иметь в виду, что небольшое изменение всего лишь на несколько процентов количества тепла, получаемого Землей от Солнца, приведет к сильным изменениям земного климата. Земная атмосфера играет чрезвычайно важную роль в поддержании температуры в допустимых пределах. Она действует как одеяло, не допуская слишком сильного повышения температуры днем и чрезмерного понижения температуры ночью. Эволюция атмосферы. В фазу расплавления огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли 320 газов были углекислый газ и водяной пар, что аналогично составу летучих компонентов при современных вулканических извержениях (80% вода, 10% углекислый газ). После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100 °C произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. Так как углекислый газ легко растворяется в воде, то преобладающая его часть была поглощена водой. В настоящее время в океанических водах в 60 раз больше углекислого газа, чем его имеется в атмосфере. Воздушная среда не только утратила почти всю воду, находившуюся в ней в виде пара, но в ней осталось мало и С02. Во много раз уменьшилось и ее давление. Дальнейшая эволюция атмосферы связана главным образом с появлением и развитием органического мира, прежде всего растительного. Атмосфера предохраняет нас не только от огромных колебаний температур. Это неоценимая защита от метеорных тел, непрерывно бомбардирующих Землю из межпланетного пространства. Метеорные тела сталкиваются с Землей со скоростью до 72 км/с. Сила удара метеоритной частицы массой всего 0,001 г, несущейся с такой скоростью, такая же, как пули пистолета 45 калибра при выстреле в упор. Хотя размеры частицы не больше пылинки и меньше средней песчинки, она все же опасна для человека. Ежедневно в земную атмосферу вторгаются миллиарды частиц, создавая слабые метеоры, которые можно видеть только в телескоп. Слабейшие метеоры, видимые невооруженным глазом, в несколько раз крупнее. Большинство этих тел быстро испаряется в атмосфере из-за сопротивления воздуха. Наше счастье, что мы защищены атмосферой от метеорных тел, но все равно некоторые из них, наиболее массивные, способны достичь поверхности Земли и вызвать разрушения. Большой метеоритный кратер в Аризоне (США) образовался около 24 000 лет назад при взрыве громадного тела. Диаметр этого кратера больше километра и даже сейчас его глубина достигает приблизительно 200 м, несмотря на его заполнение породой вследствие эрозии. Вокруг Аризонского кратера были в изобилии найдены мелкие железные метеориты, но не удалось обнаружить ни одного крупного осколка ни путем бурения, ни с помощью радио-детектирования. Железный метеорит взорвался при ударе о землю с силой, намного превышающей силу любых известных взрывов. Тунгусский метеорит 1908 г. взорвался с такой силой, что деревья были повалены на расстоянии до 30 км от места взрыва. В этом случае упавшее тело было почти наверняка обломком кометы малой плотности, разрушившимся в атмосфере на высоте нескольких километров. В 1947 г. на Дальнем Востоке упал большой железный (Сихотэ-Алиньский) метеорит, образовавший большое число кратеров. В 1972 г. поблизости от западного побережья Северной Америки, на расстоянии всего лишь 50 км от земли, пронеслось тело массой не меньше 100 т. Если в текущем столетии были зарегистрированы падения двух крупных метеоритов на суше и одно падение вблизи побережья, то над океаном таких событий, которые остались незамеченными, возможно, было в несколько раз больше. Исчезновение динозавров в конце мелового периода 65 млн лет назад, а также окончание других геологических периодов могло быть следствием падения на Землю тел размерами с астероид. Ученые обнаружили, что в осадках позднемелового периода содержание сравнительно редкого элемента иридия в 30−160 раз выше, чем в более ранних и более поздних пластах. В земных породах иридия гораздо меньше, чем на Солнце и метеоритах, вероятно потому, что он осел к центру Земли вместе с железом. Его повышенная концентрация в позднемеловом слое является сильным доводом в пользу того, что в то время в Землю врезался астероид диаметром около 10 км. В результате мощного взрыва в атмосферу были бы подняты тучи пыли (свыше тысячи кубических километров). Такого количества пыли достаточно для того, чтобы в течение нескольких лет преграждать путь солнечным лучам. Возможно при этом был нарушен процесс фотосинтеза, что прервало пищевую цепь и от голода вымерли многие позвоночные массой более 10 кг, исчезла половина всех видов живых организмов. Атмосфера защищает нас не только от малых метеоров, но и от смертоносной космической радиации. Под действием солнечных лучей в атмосфере образуется озон (молекула которого состоит из трех атомов кислорода); он образует защитный слой от более коротковолнового излучения в дальней ультрафиолетовой области, представляющего опасность для всего живого. Если бы весь поток ультрафиолетового излучения достигал земной поверхности, то жизнь на Земле в какой-либо форме вообще не могла бы существовать, по крайней мере на суше. Атмосфера задерживает также многие частицы, опасные для жизни. Развитие литосферы и рельефа. Наиболее характерная особенность строения рельефа и земной коры — наличие материковых массивов и океанических впадин. Общая направленность структурного развития земной коры заключается в том, что на первичной базальтовой коре под влиянием действия геосинклинального процесса, т. е. образования линейных тектонических структур, стали возникать острова материковой коры. Этот процесс начался в архейскую эру. В результате действия геосинклинального процесса, включающего в себя складчатость и гранитизацию, происходила консолидация обширных областей земной коры. Она сопровождалась увеличением масс горных пород гранитного слоя материковой коры, возрастанием ее мощности над уровнем моря. С мезозойской эры начал развиваться процесс раскола материковой коры и раздвижения ее в стороны от образовавшихся рифтов. Это привело к дрейфу континентов. С появлением на Земле воды произошло скачкообразное возрастание темпа развития ее внешней области. Геотектонический процесс создания материков (геосинклинальный процесс) также мог развиваться только в условиях морских бассейнов.

Эволюция биосферы.

Эволюция химических соединений, приведшая к зарождению жизни, началась с появления на Земле масс жидкой воды, т. е. с ранней геологической истории. Время образования предбиологических систем (коацерватов) продолжалось около 1 млрд лет. Самые старые ископаемые клетки образовались в архейский период развития Земли, продолжавшийся от 3,4 до 2 млрд лет назад. В протерозое, длившемся от 2 млрд лет до 600 млн лет назад, образовались наиболее старые из фотосинтезирующих растений. В конце протерозоя образовались 328 различные организмы. Были обнаружены отпечатки 13 видов медузообразных, кишечно-полостных, некоторые виды червей и животных, не похожих на формы более позднего времени. Уже существовал биотический круговорот вещества и энергии. Зеленые растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии путем фотосинтеза поглощали из воздушной среды углекислый газ и воду, а выделяли из нее кислород. Общее уравнение фотосинтеза выражается так:

Таким образом, в процессе фотосинтеза атмосфера обогащается кислородом и теряет углекислый газ. Современный состав атмосферы (азот — 78%, кислород — около 21%, углекислый газ — 0,031%) — результат деятельности органического мира. При солнечном излучении в области спектра от 1000 до 2000 происходит реакция между атомом и молекулой кислорода с образованием озона:. Наибольшая концентрация озона находится на высоте 25 км над поверхностью Земли. Это так называемый озоновый слой, поглощающий излучение в диапазоне волн короче 3000 А. Палеозойская эра (от 600 до 225 млн лет назад) — это время древней жизни. В начале палеозоя суша представляла голую пустыню, а в море обильно развивались сине-зеленые и красные водоросли, а также представители всех типов животных организмов. В развитии биосфер выход растений на сушу — настоящая революция. В условиях жаркого влажного климата происходило произрастание огромных древовидных растений, папоротников и отложения их в прибрежных осадках. Мезозойская эра (от 225 до 70 млн лет назад) характеризуется дальнейшим развитием растительного и животного мира как на суше, так и на море. Произошло массовое распространение рептилий — динозавров, черепах, древних крокодилов, ихтиозавров. В кайнозойскую эру (от 70 млн лет назад) развивались млекопитающие. Итак, начиная с древнейших времен до современной эпохи шло непрерывное развитие биосферы — увеличение разнообразия живых форм и усложнение их организации. Жизнь, зародившись в море, захватила и сушу. На ранней стадии своего развития протоземля была окружена роем небольших спутников, радиусы которых достигали 100 км. Со временем из них на расстоянии около 10 земных радиусов сформировалась Луна. Одновременно в результате приливных воздействий начался процесс ее медленного удаления от Земли, который продолжается до сих пор и сопровождается уменьшением скорости вращения Земли вокруг своей оси. Таким образом, хотя есть много трудностей в объяснении эволюции Солнечной системы, можно уверенно говорить о том, что планеты и Солнце образовались из одного газопылевого облака и что сами планеты сформировались из роя холодных и твердых тел.

Происхождение и эволюция галактик и звезд При построении рассмотренной нами выше космологической модели Вселенной принималось, что вещество в ней распределено однородно и изотропно. Имеется в виду среднее по Метагалактике распределение вещества. В действительности в настоящее время значительная масса вещества сконденсирована в форме галактик и скоплений галактик. Возникают следующие вопросы: какие причины приводят к фрагментации первоначально однородно распределенного, расширяющегося вещества Вселенной и почему наиболее существенные свойства галактик — их формы, размеры и массы — именно таковы? Впервые вопрос о фрагментации однородно распределенного вещества рассмотрел английский ученый Дж. Джинс в 1902 г. Он исходил из того, что если в однородной среде возникает по каким-либо причинам сгущение — неоднородность с размерами г, то она может либо продолжать уплотняться (расти) под действием собственного тяготения, либо рассасываться (затухать) под действием газового давления. Направление протекания процесса зависит от того, будет ли размер сгущения больше или меньше критического. Критический размер легко оценить, если 301 приравнять газовое давление в сгустке, давлению силы тяжести Из этого условия следует, что размер сгущения определяется следующим соотношением: Сгущения определенной массы могут формироваться лишь при определенных соотношениях между величинами Т и р. Если, например, плотность догалактического вещества р10−24 г/см3 (это средняя плотность Галактики), то сгущение массой m1011 mc может образоваться лишь в случае, если температура Т106 К. При меньшей температуре образуются сгущения меньшей массы. Наряду с массой важнейшей характеристикой галактики является мера ее осевого вращения — вращательный момент на единицу массы. Мера вращения у эллиптических галактик гораздо меньше, чем у спиральных галактик. Очень медленное вращение эллиптических галактик не может объяснить их наблюдаемую эллиптичность, т. е. сплюснутость, подобно, например, тому, как действием центробежной силы можно объяснить сплюснутость земного шара у полюсов. По-видимому, сплюснутость эллиптических галактик объясняется самим характером звездных движений в таких галактиках. В противоположность этому влияние центробежной силы у сравнительно быстро вращающихся рукавов спиральных галактик весьма существенно. Есть среди части ученых мнение, что различия между эллиптическими и спиральными галактиками не являются эволюционным эффектом. Другими словами, галактики рождаются либо как спиральные, либо как эллиптические, и в процессе эволюции тип галактики сохраняется. Структура галактики определяется начальными условиями ее образования, например характером вращения того сгустка газа, из которого она образовалась. В настоящее время имеются уже довольно хорошо разработанные модели превращения огромного облака газа, сжимающегося в результате действия закона всемирного тяготения сперва в протогалактику, а потом в галактику. В самом начале следует представить себе огромный газовый шар, сжимающийся по закону свободного падения к центру. Первоначальная температура этого газа могла быть достаточно высокой, быстро уменьшалась, причем из-за гравитационной неустойчивости образовывались больших размеров сгущения, эволюционировавшие в облака. Благодаря беспорядочным движениям, эти облака сталкивались, что вело к их дальнейшему уплотнению. На этом довольно раннем этапе из облаков стали образовываться звезды «первого поколения», состоящие в основном из водорода и гелия. Наиболее массивные из них успевали проэволюционировать задолго до того, как прекратилось сжатие протогалактик. Взрываясь как сверхновые, они обогащали межзвездную среду металлами. По этой причине звезды следующих поколений имели уже другой химический состав. Это привело, например, к тому, что звезды вблизи центра эллиптических галактик более богаты тяжелыми элементами, чем находящиеся на периферии, что как раз и наблюдается. В спиральных протогалактиках звездообразование шло медленнее. Поэтому в них смог образоваться газовый диск довольно значительной массы. Этому способствовало также довольно быстрое вращение спиральных протогалактик, препятствующее оттоку всего газа в область ядра и превращению его там в звезды. Другими словами, вращение протогалактик уменьшает скорость звездообразования. Таким образом, разные типы галактик происходят от прото-облаков с разными плотностями и разным разбросом скоростей внутренних движений. В частности, эллиптические галактики образовались из более плотных облаков газа, находящегося в состоянии довольно быстрого беспорядочного движения. В «бедных» разряженных скоплениях наблюдаются преимущественно спиральные галактики. Возраст галактик практически равен возрасту Вселенной. Звезды могут образовываться в результате гравитационного сжатия неоднородностей в межзвездной среде. Межзвездная среда распределена очень неоднородно, она имеет клочковатую структуру. В некоторой области среды выполняется критерий Джинса и эти комплексы являются гравитационно неустойчивыми, они должны сжиматься. По мере сжатия критерий гравитационной неустойчивости Джинса начинает выполняться для неоднородностей внутри облака с меньшими массами, вплоть до солнечной. Массивное газопылевое облако начинает дробиться на менее массивные части, которые, сжимаясь, дают начало звездам. Для того чтобы образовавшаяся неоднородность массой, равной массе звезды, — протозвезда — могла сжиматься дальше, необходимо, чтобы по мере сжатия из нее отводилось тепло, выделившееся при сжатии. Таким механизмом отвода тепла является инфракрасное излучение пыли и молекул межзвездного газа. Значит, протозвезды являются мощными источниками инфракрасного излучения. По мере того как протозвезда сжимается, плотность ее растет, растет ее непрозрачность к инфракрасному излучению. Дальнейшее, более медленное сжатие происходит до тех пор, пока температура внутри звезды не повысится настолько, что становятся возможными термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Расчеты показывают, что сжатие протосолнца от радиуса R = 10Ro до R = 1R0 продолжалось около 20 млн лет. Более массивные протозвезды эволюционируют быстрее, менее массивные — медленнее. Стабильное по излучению и свойствам состояние звезды продолжается до тех пор, пока в ее недрах не исчерпается ядерное горючее — водород. Ясно, что массивные звезды благодаря своей высокой светимости исчерпают свой водород быстрее, чем менее массивные. По мере исчерпания водорода в центре звезды коэффициент непрозрачности вещества непрерывно уменьшается. Это приводит к непрерывной перестройке звезды, сопровождающейся сжатием ее ядра и ростом протяженности оболочки. Ядерные реакции синтеза гелия из водорода идут в узком слое, непосредственно окружающем ядро. По мере выгорания водорода в слоевом источнике масса гелиевого ядра постепенно увеличивается. Это приводит к увеличению силы тяжести, дальнейшему сжатию ядра и увеличению его температуры. При этом растет светимость звезды. Энергия не успевает переноситься наружу излучением, наступает конвенция. Сжатие ядра и повышение температуры происходит до тех пор, пока в нем не начнутся термоядерные реакции синтеза более тяжелых химических элементов. Например, при температуре в сотни миллионов градусов происходит синтез ядер атома углерода при слиянии трех ядер атома гелия, а затем при еще более высоких температурах образуются кислород, неон и т. д. При этом выделяется большое количество энергии, способное остановить сжатие ядра. Реакции синтеза идут с выделением энергии вплоть до образования ядер атомов железа. Образование более тяжелых химических элементов требует затраты энергии и приводит к охлаждению звезды. После выгорания водорода в ядре звезда становится красным гигантом или сверхгигантом в зависимости от массы звезды. Если масса звезды меньше 1,2 массы Солнца, то после исчерпания водорода в ядре оно начнет сжиматься. Сжатие ядра останавливается давлением вырожденного электронного газа, т. е. ядро звезды представляет собой звезду — белый карлик. В то же время оболочка звезды увеличивается в размерах до 10−100 радиусов Солнца, так что сама становится красным гигантом. Довольно быстро оболочка вообще отделяется от ядра и на месте звезды остается ядро — звезда белый карлик и расширяющаяся оболочка, т. е. феномен планетарной туманности. Затем за несколько тысяч лет расширяющаяся оболочка рассеивается в межзвездной среде, а белый карлик еще в течение сотен миллионов лет высвечивает тепловую энергию, запасенную им при сжатии. Такая судьба ожидает и наше Солнце через 5 млрд лет. Структура его определяется давлением вырожденного электронного газа, а перенос энергии из центра определяется теплопроводностью. Если же первоначальная масса ядра звезды превосходит 1,2 раза массы Солнца, но была меньше 2,4 массы Солнца, то в ней после исчерпания ядерного горючего происходит катастрофа в виде вспышки сверхновой. Сила тяжести настолько велика, что даже давление вырожденного электронного газа не в состоянии ей противодействовать. Поэтому по мере сжатия ядра здесь происходит распад ядер тяжелых элементов на более простые и превращение всех частиц в нейтроны. Протоны, которые входят в состав атомных ядер, образовавшихся на предыдущей стадии эволюции звезды, в конце концов превращаются в нейтроны. При больших плотностях (109 кг/м3) из-за принципа запрета Паули в нейтронном газе будет также действовать специфическая сила отталкивания, и равновесие поддерживается давлением нейтронного газа. Подтверждением наличия нейтронных звезд во Вселенной являются пульсары (пульсирующие звезды, обнаруженные в 1967 г.). Если масса ядра звезды превосходит 2,5−3 масс Солнца, то ее неограниченное сжатие под давлением силы гравитации уже ничем не остановить. Она превращается в черную дыру. Скорость, необходимая для удаления с этой звезды, становится больше скорости света. Основываясь на законе всемирного тяготения и конечности скорости распространения света, возможность существования черных дыр предсказал еще в XVIII в. Лаплас. Звезда массой, равной солнечной, при обращении в черную дыру имела бы радиус 3 км. Теоретические оценки показывают, что число черных дыр в Галактике может достигать сотен миллионов. Черную дыру можно обнаружить, если она является компонентом двойной звезды — она может быть мощным источником рентгеновского излучения. Примером такого источника можно назвать мощный рентгеновский источник Лебедь Х-1. Название «черная дыра» связано с тем, что могучее поле тяготения сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое излучение. Поэтому черную дыру нельзя увидеть ни в каком диапазоне электромагнитных волн. В случае тесной двойной звезды гравитационное воздействие черной дыры притягивает газ с поверхности обычной звезды, образуя диск вокруг нее. Температура газа в этом вращающемся диске может достичь 107 К. При температуре в миллионы Кельвинов газ будет излучать в рентгеновском диапазоне. И по нему можно определить наличие в данном месте черной дыры. С эволюцией звезд тесно связан вопрос о происхождении химических элементов. Если водород и гелий являются элементами, которые остались от ранних стадий эволюции расширяющейся Вселенной, то более тяжелые химические элементы могли образоваться только в недрах звезд при термоядерных реакциях. Внутри звезд в ходе термоядерных реакций может образоваться до 30 химических элементов. В конце эволюции в зависимости от массы звезда либо взрывается, либо сбрасывает более спокойно вещество, уже обогащенное тяжелыми элементами. При этом образуются остальные элементы периодической системы. Из обогащенной тяжелыми элементами межзвездной среды образуются звезды следующих поколений. Солнце — звезда второго поколения, образовавшаяся из вещества, уже однажды побывавшего в недрах звезд и обогащенного тяжелыми элементами. Вот почему о возрасте звезд можно судить по их химическому составу, определенному методом спектрального анализа. Дальнейшее развитие науки покажет, какие из сегодняшних представлений о происхождении галактик и звезд окажутся правильными. Но уже теперь нет сомнения в том, что звезды, во-первых, подчиняясь законам природы, рождаются, живут и умирают, а не есть однажды созданные и вечно неизменные объекты Вселенной, и, во-вторых, звезды рождаются группами, причем процесс звездообразования продолжается в настоящее время.