Концепции современного естествознания

Электрослабое поле и перспективы Великого Объединения

До середины XIX в. физики знали две самостоятельных силы - электричество и магнетизм. Позже оказалось, что это два проявления единой сущности - электромагнитного поля. Изменение электрической силы порождает силу магнитную, и наоборот.

Пока два заряда покоятся, между ними возникает электрическая сила притяжения-отталкивания, а когда они начинают двигаться, появляется магнитная сила. Абдус Салам в конце 50-х годов пришёл к мысли, что электромагнитное и слабое взаимодействия также есть проявление некоторой общей силы, которая получила название электрослабой. "Общая" электрослабая сила, точнее кванты электрослабого поля, существует при очень высоких энергиях и в нашем мире распадаются на кванты электромагнитного поля и слабого взаимодействия.

Теория объединения двух сил была создана в 60-е годы, а экспериментальные доказательства существования всего набора предсказанных квантов слабого поля - тяжёлых векторных бозонов - были получены на самых мощных ускорителях в 80-е годы. Кванты поля, разрушающего единство электрических и слабых сил - бозоны Хиггса - не обнаружены и по настоящее время, но мало кто сомневается в их существовании. Следующий шаг - объединение сильного и электрослабого взаимодействий. Соответствующая тория получила название Великого объединения. Она разрабатывается силами многих теоретиков начиная с 70-х годов.

Эта теория не может быть проверена экспериментально - человеческие руки не в силах создать ускорители той мощности, при которой возможно получить искомые частицы - участники объединённого взаимодействия. Однако возможна косвенная проверка Великого объединения.

Теория предсказывает наличие сил, способных превращать кварки в лептоны. В таком случае возможен самопроизвольный распад протона на позитрон и пион. За год должен распадаться в среднем один из 10³² протонов. Современная техника в принципе позволяет пронаблюдать такое явление. Очевидно, в скором времени физикам удастся таким образом подтвердить или опровергнуть теорию Великого объединения.

Открытие Ганом и Штрассманом распада урана с образованием лёгких осколков. Получение нептуния и плутония. Германский ядерный проект

Получение нептуния и плутония. В 30-х годах появились ускорители, увеличившие мощность бомбардировок ядра заряженными частицами в сотни раз. В 1940 - 1942 гг. Г. Сиборг, Э. М. Макмилан, Дж. Кеннеди и А. Валь получили новые, трансурановые элементы - нептуний и плутоний, которых в природе практически не существует. Разогнанные на ускорителе ядра дейтерия, направленные на мишень из урана, пробивали броню электростатического отталкивания и поглощались ядром, заряд которого увеличивался на единицу - так возникал нептуний, новый элемент с периодом полураспада чуть более двух суток. В процессе в-распада нейтрон нептуния превращался в протон, заряд ядра увеличивался ещё на единицу, и возникал сравнительно стабильный изотоп плутония с периодом полураспада 88 лет. Открытие Ганом и Штрассманом распада урана с образованием лёгких осколков. Во всех этих процессах ядро захватывало или теряло частицу и меняло заряд на одну-две единицы. И физики добаловались - вдруг, совершенно неожиданно, ядро урана развалилось на две половинки. Никто из теоретиков этого не ожидал. В опытах О. Гана и Ф. Штрасмана вместо соседей урана по таблице Менделеева был синтезирован барий - крупный черепок разбитого вдребезги ядра урана. Это привело к самому драматическому событию в двухтысячелетней истории физики - созданию атомной бомбы. Теоретические модели ядра (не знаю надо это или нет) В 30-годы Гамов, Бор, Уиллер (США) и Френкель (СССР) делают первые наброски теории строения ядра, получившие название «капельная теория». Мелкие капли круглые. Шар - геометрическая фигура, обладающая минимальной поверхностью при заданном объёме. Молекулы жидкости, находящейся на поверхности раздела двух сред, притягиваются внутрь. Это приводит к тому, что количество молекул на поверхности становится минимальным. Физики говорят о силе поверхностного натяжения, выравнивающей неровности на поверхности жидкости. Вода обладает большой силой поверхностного натяжения, спирт - меньшей, медицинский эфир (этиловый эфир) - ещё меньшей.Ядерные силы неизмеримо мощнее сил молекулярного притяжения и должны были бы образовать идеально шаровидное ядро, но количество частиц в нём слишком ограничено. Кроме того, нуклоны не одинаковы - между протонами действует отталкивающая сила. Всё это приводит к тому, что ядро может быть не сферическим, а вытянутым вроде дыни или сплющенным, как тыква. Почему ядро не может быть очень большим? Сильная сила действует на сверхмалых расстояниях, притягивает только ближайшие нуклоны (протоны и нейтроны). Вместе с силами притяжения на протоны ядра действует сила отталкивания одноименных зарядов, которая сравнительно мало убывает с расстоянием. Следовательно, при увеличении количества протонов в ядре силы отталкивания увеличиваются, а силы притяжения не растут. Ядро становится нестабильным, испускает б-частицу и, избавившись от избыточного положительного заряда, делается более устойчивым и компактным. Очевидно, что ядро, поверхность которого является более близкой к сферической, должно быть и более устойчивым. Почему ядро не может состоять из одних нейтронов и увеличиваться не разрушаясь? Капельная модель - классическая модель, не использующая квантово-волновые свойства ядерных частиц. Ей на смену приходит оболочечная модель, предложенная впервые Бартлетом и развитая М. Гёпперт-Майер и Х. Йенсеном. Согласно ей протоны и нейтроны образуют ансамбль стоячих волн, организованных подобно электронным оболочкам боровского атома. Пара нейтрон-нейтрон в силу запрета Паули может существовать только при противоположно ориентированных спинах, что уменьшает энергию связи. Поэтому один из нейтронов превратится в протон путём в-распада и образуется более прочная конструкция. Протоны и нейтроны заполняют оболочки, располагаясь на них в определённом количестве в разрешённых комбинациях. В 50-е годы Оге Бор (сын Нильса Бора) и Б. Моттельсон разрабатывают коллективную модель ядра, согласно которой на поверхности ядра (наружной оболочке) и образуются волны и квантовые переходы, сопровождающиеся излучением или поглощением гамма-излучения и радиоактивным распадом.Германский ядерный проект.Нацистская Германия обладала реальной возможностью создать бомбу - она обладала огромными людскими, материальными и интеллектуальными ресурсами. Над атомным проектом Германии (руководитель К. фон Вайцзеккер) работали Гейзенберг и Ган. Среди причин, по которым Германия не успела стать обладательницей ядерного оружия, можно назвать как политические (недооценка его значения Гитлером и, как следствие, недостаток финансирования), так и научно-технические. Немецкие физики пришли к ошибочному заключению, что использование графита в качестве замедлителя нейтронов бесперспективно и попытались использовать для этой цели тяжёлую воду. Единственный в мире завод по производству тяжелой воды (в Норвегии) был уничтожен налётами авиации союзников и диверсиями бойцов Сопротивления. Большой запас тяжёлой воды, находившийся в научно-исследовательских институтах Франции, уже во время оккупации Ф. Жолио-Кюри тайно переправил в Англию. В результате немецким физикам так и не удалось запустить ядерный реактор.

Термоядерная энергия и перспективы её мирного использования

Источником энергии, лишённым недостатков ТЭС, ГЭС и АЭС, является превращение тяжёлого водорода в гелий. Плюсы - неисчерпаемость сырья (в кружке воды столько же потенциальной энергии, сколько в бочке бензина) и отсутствие вредных отходов на любой стадии производственного цикла. Минусы, возможно, появятся, когда появится сам термоядерный реактор. По последним прогнозам, время появления экономически выгодного промышленного термоядерного реактора - 2030 - 2050 гг. В чём техническая сложность задачи? Чтобы сблизить ядра дейтерия и трития (таков состав горючего в современных экспериментальных установках) до расстояния, на котором сильное взаимодействие будет значимым, нужно придать им энергию для преодоления электрических сил отталкивания одноименных зарядов. Реально это означает нагрев горючего до 10-20 миллионов градусов, удержание его при такой температуре и отвод тепла. Первые работы по созданию термоядерного реактора были начаты в СССР под руководством Курчатова. Конструкция, которую предложили советские инженеры, предусматривала разогрев и удержание кольцевидного шнура горячей дейтериево-тритиевой плазмы в сверхмощном магнитном поле. Её назвали токамак - тороидальная камера с магнитной катушкой. Тор - это геометрическая фигура, напоминающая бублик. Внутри бублика мощное магнитное поле должно удерживать плазменный шнур, нагретый до нескольких миллионов градусов. Однако только к концу ХХ века были построены (уже не в нашей стране) токамаки с нулевым КПД, т.е, выделяющие столько энергии, сколько они потребляют. В настоящее разработка нового поколения токамаков ведётся в рамках инициированного Советским Союзом международного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) и в США. Несколько позже токамака было предложено иное решение проблемы - нагрев микроскопических доз термоядерного горючего с помощью сверхмощных лазеров, однако работы в этом направлении пока менее успешны, чем доводка токамаков.

Зависимость ядерной энергии от количества нуклонов в ядре

В стабильных ядрах количество протонов и нейтронов у лёгких элементов приблизительно одинаково; с увеличением заряда ядра относительное количество нейтронов возрастает до полутора у трансуранов. Итак, в ядерные оболочки формируются определённым количеством протонов и нейтронов. Опыты Ферми показали, что если подбрасывать в ядро лишние нейтроны, то в результате в-распада их излишки превращаются в протоны. Избыточное количество протонов может порождать обратный процесс - превращаться в нейтроны с испусканием позитрона (этот тип радиоактивного распада был открыт супругами Жолио-Кюри в 1934 г.). Теория ядра очень далека от завершения, однако имеющиеся в настоящий момент данные чрезвычайно важны. Для понимания технических и астрофизических процессов главное - знать энергетический выход реакций распада и синтеза ядер. Если к протону добавить нейтрон, то частицы прилипнут друг к другу подобно кусочкам магнита и при этом выделится энергия - например, в виде гамма-кванта, и получится дейтон - ядро тяжёлого стабильного изотопа водорода дейтерия. Добавим ещё один нейтрон и снова получим выход полезной энергии, однако новый изотоп водорода - тритий - нестабилен и в процессе в-распада превращается в легкий изотоп гелия - ³Не. Добавляя таким образом нуклоны в ядро, получаем где больший, где меньший, но обычно положительный выход энергии - и так до того момента, когда силы отталкивания не станут превышать силы притяжения. Самое тяжёлое ядро, синтез которого идёт с выделением энергии - это ядро железа, более тяжелые элементы энергетически выгоднее разрушить. Легко определить, что синтез лёгких элементов - и прежде всего гелия - из ещё более лёгких даст больше энергии, чем расщепление тяжёлых элементов, включая даже уран. Однако технически расщепление урана оказывается более простой задачей.

Образование звёзд, водородная стадия горения

Основа межзвёздного вещества - водород и гелий. По причинам, которые пока не ясны, разбросанное во Вселенной космическое вещество образовало местные скопления и неоднородности. Под влиянием сил тяготения локальные скопления газа уплотнялись, уплотняясь - нагревались. Тепловое излучение и свет не могли выходить из горячего ионизированного газового облака, нагрев увеличивался, и когда температура сжатого газа достигла десятка миллионов градусов, начались первые термоядерные реакции - превращение водорода в гелий. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, ядро водорода - из одного протона. Однако при очень высоких температурах возможны реакции слабого взаимодействия - при столкновении двух протонов один из них превращается в нейтрон и образуется дейтерий (D) по схеме: p + p = D + e⁺ + н Перед нами - реакция слабого взаимодействия, процесса медленного. Осуществляется она исключительно редко, в одном случае на 10²⁸ столкновений. Слабые силы действуют на очень коротких расстояниях, а чтобы сблизить протоны, преодолеть силы электростатического отталкивания, необходимо получить очень большие начальные скорости сталкивающихся частиц. Следовательно, протонный газ должен иметь очень высокую температуру. Но вот дейтерий получен. Столкновение ядер дейтерия (при звёздных температурах) приводит к их слиянию без превращения частиц друг в друга, под действием только “быстрого”сильного взаимодействия, поэтому дейтерий тут же превращается либо в тритий, либо в лёгкий изотоп гелия-3. Каждый из них так же шустро реагирует с дейтерием с образованием гелия-4. Исключительно медленная реакция слабого взаимодействия - причина того, что на водородной стадии горения звезда стабильно существует миллиарды лет. Правда, очень массивные, следовательно, очень горячие звёзды сгорают быстрее, за десятки или сотни миллионов лет - чем выше температура и давление, тем чаще происходят столкновения протонов, но большинство звёзд во Вселенной относятся к долгожителям. Наше Солнце горит 5 млрд. лет и это процесс продлится ещё около 8 - 10 млрд. лет.

Красные гиганты и белые карлики

Рано или поздно, но ресурсы водорода будут исчерпаны, а в недрах звезды накопится много гелия. Остатки водорода всплывут на поверхность, термоядерные реакции станут происходить не в ядре, а на периферии, и, вследствие высоких температур, давления частиц и света, диаметр звезды сильно увеличится. Самые же наружные слои звёздной атмосферы будут очень удалены от ядра и станут сравнительно холодными. Такие звёзды называются красными гигантами. На этой стадии наше Солнце раздуется до размеров, превышающих диаметр земной орбиты, его наружные слои остынут приблизительно до 3 тыс. градусов. После того, как выгорит и этот водород, огромная масса остывающей гелиевой плазмы начинает сжиматься и красный гигант превращается в белый карлик. Если раньше сжатию препятствовали силы, возникающие в ходе ядерного синтеза, то теперь гравитация беспрепятственно ломает электронные оболочки атомов, создавая новую физическую форму вещества - плотно упакованную смесь ядер и обобщённых электронов, вырожденный газ, один кубический сантиметр которого весит от нескольких сотен килограммов до нескольких тонн. Ближайший к нам белый карлик - Сириус В - имеет массу 0,95 солнечной при диаметре 10 800 км (диаметр Земли - 12 700 км). В результате сжатия белый карлик имеет высокую поверхностную температуру, (Сириус В, например - 32 000°, приблизительно в шесть раз горячее Солнца), но, из-за малой удельной поверхности, терять тепло он может очень медленно и поэтому Солнце, превратившееся в белый карлик, будет остывать десятки миллиардов лет, пока не превратится в холодный чёрный карлик. Однако в нашей молодой Вселенной чёрные карлики уже есть - ближайшая к нам звезда такого типа находится в созвездии Гидры и светит уже в основном в области невидимого для глаза теплового излучения. Белым карликам с массой, превышающей 1,4 солнечной, не суждено превратиться в чёрные карлики. Сжатие разогревает их недра, и когда температура превысит 200 млн. градусов, там начинает гореть гелий, превращаясь в углерод. После исчерпания запасов гелия углерод начнёт превращаться в кислород и неон, при достижении 600 млн. градусов кислород и неон превращаются в кремний, и так далее. Цикл ядерный синтез - завершение синтеза - сжатие - повышение температуры - новый ядерный синтез будет продолжаться, пока внутренняя температура не достигнет триллиона градусов и вещество звезды не догорит до железа. Это - последний этап термоядерного синтеза, последнее усилие, противостоящее гравитационному сжатию.

Нейтронные звёзды и вспышки Сверхновых

Далее уплотнение звезды происходит мгновенно, со скоростью звука - а скорость звука тем больше, чем больше плотность среды. Сжатие приводит колоссальному выделению энергии - вспышке Сверхновой звезды, на какое-то время излучение звезды сравнимо с излучением галактики. Если при превращении водорода в гелий в энергию переходит около 1% релятивистской массы водорода, то в процессе обрушивания звезды внутрь самой себя - до 10%.Ударная волна этого взрыва, действуя на межзвёздный газ, порождает ускоренные протоны космических лучей. Размётанные взрывом периферические слои звезды разлетаются с огромной скоростью - порядка тысячи километров в секунду. Так рождается космическая пыль, содержащая тяжёлые элементы - вплоть до трансуранов. В дальнейшем она входит в состав звёзд и планетных систем. Звёзды первого поколения, образующие "толстый диск" нашей Галактики, очень бедны элементами тяжелее гелия. Более молодые звёзды, в том числе и наше Солнце, захватили значительное количество космической пыли в момент своего образования. В исходном газопылевом облаке, породившем Солнечную систему, было около 5% вещества, изверженного когда-то Сверхновой. Земля и её обитатели - это шлак сгоревшей звезды второго поколения, вещество, возникшее в недрах массивного светила в ходе ядерного синтеза после сгорания водорода и гелия. То, что осталось от звезды после взрыва - это сверхплотное вещество, состоящее большей частью из нейтронов. Диаметр нейтронной звезды порядка 10 км. Инерция сравнительно медленного (если оценивать угловую скорость) вращения исходной звезды должна сохранится. Вспомните, как быстро начинает вращаться фигурист, когда он сгруппируется. «Сгруппировавшаяся» нейтронная звезда крутится с невероятной скоростью - время полного оборота порядка от секунд до сотых долей секунды. Вследствие такого вращения она приобретает магнитное поле в триллионы раз более мощное, чем магнитное поле Земли.

Черные дыры и квазары

Нейтронная звезда с массой более трёх масс Солнца не вечна. Она довольно быстро остынет и превратится в чёрную дыру. Как известно, масса искривляет окружающее пространство-время. Огромные компактные массы способны искривить его настолько, что оно замкнётся само на себя, образовав пространственно-временной пузырь, собственную замкнутую Вселенную внутри нашей Вселенной. Чёрная дыра поглощает вещество извне, но ничего не выпускает изнутри. Менее всего обоснована гипотеза перехода массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Как отличить невидимую чёрную дыру от невидимой же нейтронной звезды? Если масса объекта составляет 2-3 солнечных массы, то это почти наверняка не чёрная дыра. Наиболее вероятный кандидат в чёрные дыры - звезда Лебедь-Х имеет массу, более чем в 5 раз превышающую солнечную. В 60-е годы был совершенно неожиданно открыт новый класс космических объектов - рентгеновские пульсары - рентгеновские источники, которые «мигают» с очень постоянной частотой от секунд до сотых долей секунды. Оказалось, что излучение в рентгеновском диапазоне это особенность компактных объектов - нейтронных звёзд и чёрных дыр. Правда, не все компактные объекты дают рентгеновское излучение, а только те, которые входят в состав двойных звёзд или находятся в плотных облаках межзвёздного газа и пыли - рентгеновские кванты испускает вещество, падающее на поверхность нейтронной звезды или в чёрную дыру (у которой нет поверхности). Ещё более неожиданным было открытие квазаров. Когда в 30-е годы - время бурного развития коротковолновой радиосвязи, встала проблема защиты передачи от помех, инженерам удалось грубо определить стабильные источники помех. В частности, ими оказались определённые участки звёздного неба. Астрофизики не могли принять это всерьёз, и вот по какой причине: получалось, что радиоизлучение от неведомых космических объектов было в тысячи раз сильнее, чем радиоизлучение Солнца. Самые крупные космические тела - звёзды. Самая близкая к Земле звезда находится в четырёх световых годах от нас, а Солнце - на расстоянии 8 световых минут. Энергия электромагнитных колебаний убывает пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, будь радиоисточник даже ближайшей звездой, он должен излучать приблизительно в сто триллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Когда в начале 50-х годов появились первые радиотелескопы, источники радиоизлучения удалось картировать точнее. Несколько удалённых радиотелескопов можно соединить в единую сеть и получить разрешение не менее (или более) детальное, чем у лучшего светового телескопа. С развитием техники наблюдений космические радиооблака стягивались в точки, и, наконец, их стало возможно привязать к светящимся объектам. Спектр этих объектов оказался совершенно необычным: привычные линии водорода были смещены в красную область почти на треть. Это означало, что радиоисточники находились не просто далеко, а исключительно далеко, на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. Оптические снимки ближайших из них показали вытянутые структуры, которые первоначально были названы радиогалактиками. Теперь мы знаем, что это воронки газа и космической пыли, падающие на сравнительно малый объект - не больше нашей солнечной системы. Длина этих газопылевых рукавов порядка сотни тысяч световых лет. Газовые вихри, разогреваясь, излучают в радиодиапазоне. Центральное массивное тело получило название квазар. Квазар - это не звезда, не галактика. Наиболее распространённая гипотеза - квазар это огромная чёрная дыра, возникшая на месте ядра галактики, звёзды ядра провалились в эту дыру. Не все квазары являются активными радиоисточниками, некоторые почти молчат в радиодиапазоне. Однако в любом случае квазары являются самыми мощными источниками энергии во Вселенной. Притягивая и разгоняя звёзды и газ, они заставляют их генерировать электромагнитные волны в самых разных диапазонах. Чёрные дыры, не обязательно такие массивные, как квазары, находятся в центре многих, если не всех, галактик. Предположительно, чёрная дыра массой порядка миллиона солнечных, есть и в центре нашей галактики - Млечного пути. Центральные части галактического диска закрыты таким количеством космической пыли, что надёжно проверить эту гипотезу пока не удаётся.

Галактики, скопления галактик и крупномасштабная структура Вселенной

Не так давно словом "галактика" обозначалась крупная звёздная система. Помимо звёзд в ней существует межзвёздный газ и космическая пыль. Галактики различались по форме - делились на спиральные, шаровые, эллиптические и прочие. В настоящее время представления о галактиках решительно меняются. Звёзды, газ и пыль - то, что далее будем называть «видимое вещество» - составляют незначительную долю от общей массы галактики. Основным в ней является «тёмное вещество». «Тёмное вещество» существует, но мы не знаем, что это такое. Ограничимся обзором наиболее изученных галактик вроде той, в которой обитаем мы, а именно - спиральных. Спиральные галактики обычно имеют два рукава - изогнутые зоны наибольшего скопления звёзд. Если смотреть на спираль в профиль, то она предстанет в виде полоски с шаровидным утолщением в центре - балджем. Понятия «балдж» и «ядро галактики» во многом совпадают. В центре балджа находится чёрная дыра порядка сотни тысяч солнечных масс и более. Масса чёрной дыры связана с размерами балджа. И, наконец, галактику окружает сферическое гало из звёздных скоплениий более низкого порядка.По самой оси балджа расположены молодые горячие звёзды. Газ и пыль здесь неоднородны, образуют значительные скопления, особенно плотные в рукавах. В этих скоплениях приблизительно одновременно возникает множество звёзд. Процессы образования новых звёзд продолжаются здесь до сих пор. Межзвёздный газ охлаждается за счёт излучения и смещается к центру галактики, где излучение чёрной дыры балджа (точнее, вещества, падающего на чёрную дыру) вновь его нагревает. Галактический газ образует холодные струи, направленные к «нагревателю» - центру галактики и горячие струи, уходящие к периферии. Эллиптические галактики, в отличие от спиральных, представляют из себя один огромный балдж. Соответственно этому, чёрная дыра в его центре в тысячи раз массивней тех, что находятся в центрах спиральных галактик. Вещество - газ и пыль, падая на чёрную дыру, порождают излучение в самых разных диапазонах. Считается, что квазары - это светящиеся диски газа, засасыва-емого массивной чёрной дырой ядра галактики. Жизнь ядра галактики может быть очень активной, иногда оно взрывается с выделением энергии, в миллионы раз превышающей энергию вспышек сверхновых. В пересечённых спиральных галактиках падающее на центральную чёрную дыру вещество образует эллиптическую воронку - «бар»; рукава галактики выходят не из балджа, а из бара. В спиралях формируются отдельные плотные скопления звёзд, хорошо заметные на фотографиях ближних галактик, а также скопления газа и пыли. В целом приходится признавать, что видимое вещество в галактиках распределено крайне неодно-родно. Галактика значительно шире узкого диска ярких звёзд. Старые красные звёзды образуют слабо светящуюся «шубу» кнаружи от яркого диска, образованного более молодыми звёздами. Она получила название "толстый диск". Крупные галактики часто имеют мелкие галактики-спутники. Таковыми для нашей Галактики являются Большое и Малое Магеллановы облака. Галактики образуют скопления. В Местном скоплении галактик нашим ближайшим соседом является Туманность Андромеды. В целом скопления галактик образуют ячеистую структуру. Внутри ячеек пространство практически пусто. Галактики, как и звёзды, имеют свою историю, изучение которой только начинается. Считается, что первичные галактики, сформировавшиеся в первые сотни миллионов лет после Большого Взрыва, были карликовыми. В настоящее время, когда телескопы и другие астрофизические приборы стало возможным вывести в космос, астрономы впервые смогли увидеть очень далёкие галактики, свет от которых пришёл к нам более чем за 10 млрд. лет, то есть звёздное население очень ранней Вселенной. В 2004 г. благодаря новому оборудованию на телескопе «Хаббл» были получены снимки объектов в момент, соответствующий приблизительно 0,5 млрд. лет после Большого Взрыва. Первая из «древних» галактик, которую удалось сфотографировать таким образом, в 200 раз меньше нашей нынешней.

Строение земной коры. Астеносфера, мантия, ядро

Во-первых, земная кора принципиально неоднородной. Тонкая океаническая кора двуслойна, состоит из поверхностного чехла осадочных пород, накрывающих базальты, тогда как толстая материковая кора трёхслойна - под осадочными породами находится мощный слой гранитов, подстилаемый базальтами. Базальты несколько тяжелее гранитов, поэтому их "естественное место" - под гранитами. Вещество, из которого образовалась Земля, по-видимому, первоначально было относительно однородным. В дальнейшем более тяжёлые элементы мигрировали вниз, более лёгкие - наверх. Этот процесс продолжается сейчас и будет протекать ещё не менее миллиарда лет. Под корой находится слой глубинного вещества, нагретого до температуры свыше 1 000°С и находящегося в состоянии, близком к плавлению - астеносфера. Своей механической и фазовой неустойчивостью астеносфера отличается от более прочной, но пронизанной разломами мантии, лежащей под астеносферой. Зона перехода астеносферы в литосферу называется зоной Мохоровичича («зона Мохо», ударение на второе "о"). Она прослеживается на глубине 15 - 20 км под океанами и 40-80 км - под материками. Но есть места, где океаническая кора исключительно тонка и гоячая астеносфера выходит к самой её поверхности, формируя серединно-океанические хребты. Оказалось, что Землю опоясывает непрерывная цепь горных хребтов, протянувшаяся на 80 тыс. км, что вдвое превышает длину экватора. У края континентов, могут формироваться глубоководные желоба, где, наоборот, океаническая кора может уходить глубоко вниз. ???Основная идея «раннего мобилизма» была следующей - горячая астеносфера в зоне серединно-океанических хребтов изливается наружу, выплавляя новую океаническую кору. Океанические базальты медленно движутся от места своего образования к материкам, где ломаются и косо погружаются на глубины порядка сотен километров, где вновь расплавляются и смешиваются с веществом мантии. Будем считать, что базальты - исходные породы, которые возникают из вещества астеносферы. В тех местах, где океаническая плита коробится и частично плавится, более лёгкие компоненты базальтов превращаются в гранит и формируют новые участки материковой коры. Что касается дрейфа океанической коры, то здесь все доказательства налицо. Во-первых, в зонах разломов океанического дна, сопровождающих серединно-океанические хребты, происходит излияние расплавленного вещества сопровождаемое выбросом в воду большого количества сероводорода, и, как следствие, окрашивающего воду в чёрный цвет. Эти места получили название «чёрных курильщиков». Во-вторых, осадочный слой у серединно-океанических хребтов очень тонок и молод. Чем дальше к материкам, тем он, как правило, толще и старше и почти никогда не бывает древнее 200 млн. лет. В-третьих, намагниченность пород базальтового слоя показывает полное сходство с теорией. Дело в том, что металлические руды намагничены так, как были сориентированы магнитные силовые линии Земли в момент их кристаллизации. Но магнитные полюса медленно перемещаются, а также с периодом порядка миллиона лет меняют своё направление на противоположное. Если образование новых базальтов происходило постоянно, то самые молодые должны быть намагничены «на полюс», те, что дальше от оси хребта - противоположным образом, те, что еще дальше - по современным им направлениям полюсов. В-четвёртых, в местах предполагаемого подползания океанической плиты под материковую с нёё должен соскребаться верхний слой, происходить нагрев и расплавление базальтов. Если посмотреть на карту Тихого океана, легко заметить цепочки вулканических островов, формирующих Огненный пояс. В-пятых, в настоящее время методами спутниковой навигации доказано движение континентальных плит со скоростями несколько сантиметров в год. Движется не только океаническая кора. Материки тоже могут раскалываться. Зона разлома и в море, и на суше называется рифтом, а засыпаемый осадками провал - грабеном (хотя не все делают различие между этими терминами. Рифт - это огромная, обычно прямолинейная трещина, простирающаяся на сотни километров. Собственно зона расширения, не ров, а начальная точка расхождения плит, носит название зоны спрединга (spread - англ. растяжение, расширение). Классический пример рифтогенеза - наблюдающийся в настоящее время раскол африканского материка. Долгое время одним из самых употребимых слов в общей геологии были термины "платформа" и "геосинклиналь". Платформа - это тектонические косная часть коры, нечто лишённое или почти лишённое изменчивости. Геосинклинальные зоны по краям платформ, наоборот, коробятся, вздымаются, опускаются, трескаются - находятся в непрерывном движении. Откуда берётся чудовищная сила, разрывающая на части Африку или дно Атлантического океана? Ясно, что недра Земли горячие, но что их нагревает? Современная геофизика рассматривает вопрос о дифференциации вещества как основном источнике энергии. Земля образовалась около 4,6 млрд. лет назад из относительно однородного вещества, вобрав в себя огромное количество метеоритных тел. Далее тяжёлые элементы медленно опускались вниз, к центру планеты, а лёгкие всплывали наверх. Эти процессы протекали и протекают поныне с выделением тепловой энергии, которая приводит к разогреву недр. Будем считать, что через 2 миллиарда лет после образования Земли внутри неё оформилось тяжёлое ядро, предположительно состоящее из железа. Приблизительно к этому времени на поверхности Земли появились лёгкие блоки, содержащие больше кремния и алюминия, но меньше магния, чем подстилающая их мантия. Они послужили ядрами формирования будущих континентов. Период ускоренного роста материковых плит заканчивается около полутора миллиардов лет назад. К настоящему времени сравнительно надёжно установлено, что внутри Земли имеется тяжёлое твёрдое ядро. Его окружает слой жидкого вещества нижней мантии. Средняя и верхняя мантия в целом являются твёрдыми, хотя в них могут двигаться струи более горячего вещества. Предполагается, что мантия приблизительно однородна по своему химическому составу, хотя наверняка разные её слои различаются по структуре.

Причины движения материков

Твёрдое вещество может быть кристаллическим, а может и аморфным, медленно меняющим свою форму под влиянием некоторого постоянного давления. Вещество мантии также аморфно, но, кроме того, разбито трещинами и неодинаково нагрето. Будем считать, что в жидкой оболочке ядра мантия теряет тяжелые атомы железа, никеля и им подобных элементов, которые оседают на твёрдое ядро. При их падении выделяется тепловая энергия. Облегчённые и разогретые слои мантии поднимаются вверх, уступая место более тяжёлым и холодным. Итак, движение мантии можно представить как движение очень вязкой жидкости под действием локального нагрева снизу. Это конвективное движение, обычное для более тёплых слоёв жидкости и газа, можно пронаблюдать в туристическом котелке, где кипятят воду, содержащую мелкие взвешенные частицы. Они поднимаются вверх от центра вместе со струями горячей тёплой воды, движутся к стенкам, где вода охлаждается, становится тяжелее, опускается и течёт к центру, замещая поднимающуюся тёплую воду. Нагревая воду на костре или конфорке газовой плиты, можно добиться того, что столб поднимающейся воды будет один (см. схему). Назовём весь объём воды, вовлечённый в движение этой единственной восходящёй струёй, конвективной ячейкой. В 70-е годы акад. Сорохтин разработал гипотезу, согласно которой на Земле с периодом около 200 млн. лет происходит смена циркуляции мантийного вещества - переход с двух конвективных ячеек к одной и обратно. Когда конвективная ячейка является единственной, вынос тепла задерживается и в разогретых недрах формируется вторая ячейка (не всегда она направлена в противоположную сторону). С появлением второй ячейки мантия быстро остывает и возвращается к движению в одной ячейке. В фазе с двумя конвективными ячейками на поверхности Земли идёт процесс горообразования, материки, под которыми возник столб восходящего горячего мантийного вещества (плюм), раскалываются и между ними возникает новый океан. В некоторых случаях в зоне рифта на поверхность изливаются миллионы кубических километров лавы, формируя характерные ландшафты. Если ячейка одна, то материки собираются у столба погружающегося вещества, в зоне субдукции, так же, как предметы, плавающие в ванне, собираются у воронки слива. Тектоническая активность подавлена, горы разрушаются, выветриваются, материковые породы выносятся в океан и формируют обширные мелководные моря. Это чередование периодов горообразования и тектонического покоя было известно геологам и раньше, их известно около 20. Ныне мы должны жить над мантией, циркулирующей в двух конвективных ячейках, в период горообразования, который называется альпийским, а предыдущий - герцинским. Однако простые конвективные модели, вроде модели Сорохтина, ныне должны быть серьёзно модифицированы. Методы сейсмического зондирования стали настолько совершенными, что позволяют создать карту глубинных потоков разогретого вещества, и она оказывается гораздо более сложной, чем это представлялось 30 лет назад. В первую очередь, это касактся включения в геодинамическую картину плюмов - локальных восходящих потоков, расположенных в стороне от осей спрединга. Выход плюма к поверхности часто называют "горячей точкой". Классический пример плюма - "горячая точка", формирующая Гавайские острова. Следует заметить также, что усложнилась и поверхностная мозаика континентальных плит. Если в 70-х годах геофизики оперировали 6 основными плитами, то теперь их около 80.

Классическая термодинамика: понятие энтропии и второе начало термодинамики

Термодинамика - судя по названию - должна изучать потоки тепла. Первым важным шагом на этом пути было исследование цикла Карно. Сади Карно опубликовал научный труд, в котором он анализировал работу идеальной тепловой машины. Допустим, перед нами цилиндр с поршнем, наполненный холодным газом. Если газ нагреть, то он, расширяясь, будет толкать поршень. Чтобы машина могла работать непрерывно, необходимо вернуть поршень назад и повторить цикл.

Для этого необходимо либо выбросить горячий газ и впустить в цилиндр новый, холодный (как это делается в двигателе внутреннего сгорания), либо охладить прежний объём газа. В любом случае нас ожидает пренеприятнейшая процедура - механик тратит дорогое топливо, чтобы нагреть газ, но часть полученного тепла он вынужден выбросить в окружающую среду, чтобы машина смогла совершить следующий цикл. Таким образом, никакая тепловая машина не может обладать стопроцентным КПД (коэффициент полезного действия). Всю работу можно перевести в тепло, но не всё тепло - в работу. Реальный переход в современных тепловых машинах составляет 20-30%. Термодинамика как наука оформилась позже, в 50 - 60-е годы XIX в., в трудах Клаузиуса, У. Томсона, Максвелла, Джоуля. Наиболее важным её понятием стала энтропия, разработанная Клаузиусом в 1865 г. и обозначаемая буквой S (ДS=ДQ/T, где ДQ - тепло, переданное одним телом другому телу, а T - температура). С помощью энтропии можно было вычислять направление потоков тепла. Оно определяется фундаментальным принципом - вторым началом термодинамики, которое записывается так: ДS ? 0, что означает - энтропия не может уменьшаться. В частности, приняв этот постулат, можно доказать, что тепло никогда не перейдёт от менее нагретого тела к более нагретому - при этом уменьшилась бы энтропия. Закономерен вопрос - если есть второе начало термодинамики, то должно быть и первое?

Первым началом является закон сохранения энергии. Энтропия как мера хаоса В конце XIX в. Людвиг Больцман расширил границы термодинамики, введя новое определение энтропии: S = k ln W, где W - термодинамическая вероятность, k - постоянная Больцмана. Теперь второе начало из постулата превратилось в теорему, доказуемую методами теории вероятности. Теперь энтропию можно представлять как меру хаоса, беспорядка, а второе начало термодинамики следует читать так: беспорядок (неупорядоченность) со временем способен только возрастать, упорядоченность никогда не создаётся самопроизвольно.

Возникновение и эволюцию жизни на Земле всегда рассматривают как становление более сложного из более простого, а фундаментальный закон природы - второе начало термодинамики - запрещает подобные процессы. Долгое время физики и биологи старались не замечать этого противоречия.

В конце 40-х годов Э. Шрёдингер издал маленькую популярную книжку "Что такое жизнь с точки зрения физика", где попытался разрешить этот парадокс. В конечном счёте Шрёдингер приходит к выводу, что живые организмы извлекают из окружающей среды отрицательную энтропию. Как? - посредством питания. С этим тезисом не согласится ни один физиолог.

Термодинамика открытых систем

Второе начало термодинамики, безусловно, является абсолютным законом природы. Но в логических построениях физиков от Карно до Шрёдингера есть брешь. Существует особый класс термодинамических систем - открытые системы - в которых возникают локальные условия для появления упорядоченности. Открытые системы ещё называют потоковыми - в них действительно существует поток как некоторая математическая абстракция, но ничто не мешает нам представить её в виде вещественного потока некоторой материи или энергии. Представим себе классический резервуар, в который нечто вливается и из которого нечто выливается. Если энтропия того, что выливается больше, чем энтропия на входе, то что творится с энтропией резервуара? Она может понижаться, но так, чтобы её дефицит внутри покрывался приростом снаружи, на выходе. Второе начало термодинамики приводит к выравниванию температур и запрещает ситуацию, в которой два равномерно нагретых тела поделили бы тепло так, что одному достался бы жар, а другому - холод. Однако холодильник на кухне работает, нагревает решётку сзади и охлаждает камеру внутри! За счёт чего? Термодинамически рассуждая, за счёт разупорядочения потока, точнее - тока электрического, превращения направленного движения электронов (упорядоченность) в хаотическое движение молекул нагретого газа (беспорядок). Грубо говоря, в выделенном месте можно создать умеренный порядок, если в другом сотворить большой беспорядок. Потоковые системы такого рода обычно называют диссипативными (лат. dissipatio - рассеяние) - в них происходит разупорядочивание энергетических процессов. Для них характерны большие различия начального и конечного состояний потока, это сильно неравновесные системы. Внутри потоковой системы упорядоченность может возникать самопроизвольно. Представьте себе подушечку для иголок и обрывки ниток, оставшихся в ушках иголок. Они расположены хаотически. Мысленно подуйте на подушечку - и нитки расположатся упорядоченно, вдоль потока. Разумеется, термодинамика открытых систем работает не с подушечками, а с условиями минимизации некоторых математических функций. А много ли порядка надо для возникновения жизни? Фон Нейман рассчитал, что система, способная создавать своё подобие, проще говоря - размножаться, должна содержать не менее 10 000 элементов. И всё. Отдельные горячие головы предложили даже четвёртое начало термодинамики - "в сложной потоковой системе за достаточно большое время должна появиться жизнь". Разумеется, это уже не закон природы а декларация желаемого. Однако если в этой фразе слово "должна" заменить на "может", она будет выглядеть вполне пристойно. Обратим внимание на то, что здесь не оговаривается химизм субстрата жизни. Есть позиция, остроумно названная "водно-углеродным шовинизмом", т. е. утверждение, что живое существует только в виде углеродных соединений и только при наличии воды. Термодинамика этот тезис игнорирует.

Возникновение жизни на Земле: образование мономеров полимерных соединений

Известно, что наше тело состоит из жиров, белков и углеводов. Проще всего устроены углеводы. Из мономерных углеводов собираются полимеры вроде крахмала. Эти конструкции также очень просты. Жиры представляют из себя эфиры глицерина и жирных кислот. Они потенциально более разнообразны, чем сахара, но не полимеризуются. Белки являются полимерами аминокислот. В настоящее время земная жизнь создает для своих нужд около 20 аминокислот, хотя их может бы быть гораздо больше. Нуклеиновые кислоты образованы азотистыми основаниями - пиринами и пиримидинами, связанными с пятиатомными сахарами - рибозой или дезоксирибозой, а также остатками фосфорной кислоты. Это наиболее сложные молекулы, существующие в природе. Кирпичики жизни - моносахариды, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, азотистые основания, имеющиеся в современной биосфере, имеют только биогенное происхождение. Это объясняется двумя причинами - практически любая органика разлагается микроорганизмами до углекислого газа и воды, а кроме того, в кислородной атмосфере они термодинамически неустойчивы. В 50-е годы американцы Юри и Миллер провели очень важный эксперимент. В сосуде, содержавшем воду и смесь метана, аммиака, углекислоты и водяных паров, имитирующую исходную земную атмосферу, постоянно пропускали электрическую искру - она имитировала грозовой разряд и служила источником ультрафиолета. В результате через некоторое время в воде обнаруживались все кирпичики жизни - сахара, аминокислоты, жирные кислоты и азотистые основания, а кроме того - ряд других органических соединений, например, пиррольные кольца, являющиеся основой активного центра хлорофилла. Позже подобные вещества были найдены в космической пыли и в метеоритах. Работа Миллера вызвала шквал исследований. "Кирпичики жизни" - мономерные органические соединения - удавалось получить при моделировании самых разных параметров первичного океана и атмосферы, задавая исходные температуры порядка и 200° С в "сухой фазе" и минус 50 - 60° на поверхности льда, варьируя парциальное давление и ионизацию газов первичной атмосферы, в присутствии глин или соединений серы, причём они легко полимеризовались с образованием соединений с атомной массой до тысячи и выше. Таким образом, можно считать доказанным, что в горячем, щелочном первичном океане кирпичиков жизни было достаточно. Однако груда кирпичей - это ещё не Собор Парижской Богоматери. Как произошла сборка живого организма?

Геологические процессы в архее и протерозое

Архейская группа и эра, так называются древнейшие слои земной коры, они сложены из гнейсов и кристаллических сланцев, и так как не содержат в себе окаменелостей животных, то называются также азойскими. А. группа делится на 2 системы: нижняя, следов, более древняя, лаврентьевская или система первобытного гнейса, и верхняя - гуронская или система первобытного сланца. Оби вместе составляют пласт толщиной в 100 т. фут. и, по-видимому, образуют замкнутую оболочку вокруг всего земного шара. Книзу архейские образования очень богаты алиазами, золотом, платиной, серебром, медью, железом и др. металлами.- А. эрой назыв. период времени, потребовавшийся для отложения слоев А. группы.

Архейская эра, начавшаяся 3,5 млрд. лет тому назад, сопровождалась небывалой силы тектоническими процессами. Выплавлялись первые граниты и появились первые островки суши, впоследствии давшие начало материкам. Выветривание их поверхности дало первые осадочные породы. Около 3 млрд. лет назад сформировалось земное ядро и ход конвективных процессов в мантии обрёл современную форму. Океан был горячим - 40 - 50° С, атмосфера - бескислородной, восстановительной. Следующая эра - протерозойская - началась 1,8 млрд. лет назад. Легкая тонкая кора архейской эры в процессе переплавок породила стабильные материковые платформы - нечто тектонически неизменное.

На краях платформ происходит коробление коры, прогибы, разломы, проявляется вулканизм - здесь наблюдается то, что издавна называется геосинклинальной зоной, но сами плиты практически неизменны. Завершение формирования платформ приблизительно соответствует границе архея и протерозоя. Для геолога протерозой - это ранняя эпоха формирования осадочных пород на обширных пространствах материков.

Главным образом это были абиогенные карбонаты - доломиты и известняки. Для протерозоя характерны активные процессы осадкообразования. В протерозое появляются сине-зеленые водоросли, простейшие организмы, возникают многоклеточные организмы.

Развитие жизни в архее и протерозое

Жизнь в это время была представлена сообществами, где ведущую роль в звене продуцентов играли цианобактерии (сине-зелёные водоросли), а их мёртвые клетки разлагали многочисленные и разнообразные бактерии «микрофлоры рассеивания». Эти сообщества оставили после себя ископаемые строматолиты. Значительная часть бактерий свиты рассеивания сама была способна к производству органики, получая энергию от химических соединений, порождённых активным вулканизмом. Они тоже оставили доказательства своего существования. Так, бактерии, окисляющие сероводород до серы, создали нынешние залежи самородной серы. Два с лишним миллиарда лет, от раннего архея до позднего протерозоя жизнь темпы биологической эволюции были очень медленными. Ускорение биологической эволюции дали многоклеточные эукариоты, появившиеся, возможно, в позднем архее. Однако протерозойский спурт мог быть обеспечен только появлением достаточного количества кислорода в атмосфере. Теперь обладатели митохондрий, разлагая тот же субстрат, что и раньше, могли получать раз в пять больше энергии. В позднем протерозое была пройдена «точка Пастёра» - такая концентрация кислорода в окружающей среде, выше которой кислородное дыхание становится энергетически выгодным. Появившиеся около миллиарда лет назад многоклеточные красные и зелёные водоросли способствовали переходу атмосферы из восстановительной в окислительную. Бактерии по-прежнему являются ведущей силой в геологических процессах. Теперь железобактерии создают запасы железных руд. Если в прежние времена ржавое железо должно было бы на воздухе превращаться в зелёную закись, то теперь растворимые закисные формы железа энергетически выгоднее переводить в нерастворимый Fe₂O₃. Этот процесс может происходить как абиогенно, так и в результате деятельности железобактерий. Возможно, важнейшие запасы железных руд Курской магнитной аномалии, Криворожского бассейна и др. сделали те же микроорганизмы, которые и сейчас поселяются на внутренней поверхности железного бака с водой. Переводя железо в нерастворимую форму, железобактерии откладывают его в виде чехлика на наружной поверхности клеток. Потом они отмирают, а эти пустотелые колбаски из ржавчины будут миллиард лет ждать металлургов. В море накапливаются соли серной кислоты - сульфаты. Их окисленная сера - тоже продукт деятельности бактерий.В позднем протерозое (речь идёт о двух последних его периодах - рифее и венде) существовали красные и зелёные водоросли современных отрядов и классов. Тогда же возникли многоклеточные животные практически всех известных нам типов. Как и от кого - пока неизвестно, точнее, неизвестна та группа простейших, которая могла породить многоклеточных животных. Ближайшими нашими родственниками являются истинные грибы - мухоморы, дрожжи, плесени. Губки (паразоа), которые в учебниках зоологии рассматриваются как первые многоклеточные организмы - это параллельная веточка многоклеточных животных, возникшая до разделения предков грибов и собственно многоклеточных животных - метазоа.