Аристотель и философские основания античной космологии

Ко времени Аристотеля древние греки знали, что Земля – шар, и знание это, вероятно, восходит к временам Пифагора (7 в. до н.э.). Аристотель приводит два веских аргумента в пользу шарообразности Земли. Во-первых, древние греки совершенно правильно определяли причины солнечного и лунного затмений. Лунное затмение – это покрытие Луны тенью Земли, когда Земля находится между Солнцем и Луной. Но тень Земли – круглая. Разумеется, греки понимали, что круглую тень может давать не только шар, но и диск, усечённый конус, полусфера и ещё множество геометрических фигур. Однако диск отбросит круглую тень, если Солнце будет стоять перпендикулярно к его поверхности, иначе тень будет эллиптическая. А Солнце в Греции так стоять не может, только в тропиках. Во-вторых, чем дальше двигаться на север, тем ниже будут стоять светила. При правильных наблюдениях можно не только доказать шарообразность Земли, но зная расстояние смещения к северу и изменение угла наклона светила, точно вычислить окружность и диаметр Земли. Допустим, сместившись на тысячу единиц длины (миль, стадий, километров) к северу, мы замечаем, что Солнце стоит на 10° ниже. Предполагая, что Земля – шар, рассуждаем следующим образом – если длина дуги в 10° составляет 1000 километров, полная окружность в 360° должна составлять 36 000 км. Если, смещаясь на разные углы, мы получаем одинаковые длины окружности, то Земля, без сомнения – шар. Аристотель, ориентируясь по Полярной звезде, выполнил эту операцию с большой ошибкой, но столетием спустя александриец Эратосфен очень точно вычислил окружность Земли. Земля – шар, находящийся внутри других, полых прозрачных шаров, на поверхности которых находятся светила – небесных сфер. Сферы, несущие Солнце, Луну, звёзды и планеты, вращаются вокруг неподвижной Земли, перемещая светила. Такое представление о строении Космоса возникло лет за триста до Аристотеля, и постепенно усложняясь, просуществовало около 2 тысяч лет. Древние астрономы различали неподвижные звёзды и планеты. Планэтэс по гречески означает «блуждающий». Некоторые звёзды медленно перемещаются относительно других звёзд – это и есть планеты: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Однако движение планет по небосводу является более сложным, чем движение Луны или Солнца, оно никогда не бывает круговым. Солнце и неподвижные звёзды тоже не имеют постоянной траектории вращения: Солнце, например, летом явно выше, чем зимой. Однако если солнечную сферу связать с другой сферой, вращающейся в ином направлении и с иной скоростью, то можно сравнительно точно рассчитать положение дневного светила для всех времён года. Итак, увеличиваем количество сфер – и получаем большую точность предсказаний. Астроном Эвдоксий, живший несколько раньше Аристотеля, оперировал уже 27 сферами. Аристотель попытался объяснить устройство Вселенной. Он определил отличие точных и естественных наук приблизительно так же, как и мы сейчас, и поставил задачей вывести движение физических тел «из самих себя». Движение тела может быть естественным и неестественным. Естественное движение – это движение тела к его естественному месту. Вода течёт вниз, потому что там, внизу – её естественное место. Дым поднимается наверх, потому что там его естественное место. А чем определяется «естественное место» тела? Его «сущностью», которое существенно зависит от состава тела. На Земле все тела состоят из четырёх элементов – земли, воды, воздуха и огня, но каждое вещество в отдельности образовано своим соотношением этих элементов. В Космосе преобладает эфир – пятый элемент, наиболее лёгкий из всех. Из чистого эфира состоит самая внешняя сфера – сфера неподвижных звёзд. Другие сферы содержат примесь иных элементов, которые и задают их «естественное место». И тогда всё становится понятным – Земля состоит из земли, поэтому находится в центре Вселенной. Вода растекается поверх Земли, воздух – поверх воды, а выше всех – эфирные сферы (не так уж важно, сколько). Естественное движение небесных эфирных тел – круговое. Самая внутренняя сфера – сфера Луны, которая из-за близости Земли неизбежно содержит наибольшее количество утяжеляющих её примесей тяжёлых элементов.

Гелиоцентрическая картина мира и её доказательства

Отцом новой космологии стал Николай Коперник, знаменитый астроном и католический священник, изложивший основы гелиоцентрической системы в книге «О вращении небесных сфер». Очень осторожное изложение материала в книге Коперника. Новая гипотеза подавалась как одна из альтернатив. Аристарх Самосский утверждал, что Солнце находится в центре мироздания, а Земля вращается вокруг него. Научная теория должна на основании минимального числа допущений объяснять наибольшее количество фактов. Далее мы увидим, что новые теории побеждают старые, сокращая количество допущений и увеличивая количество объяснённых феноменов. Первая такая редукция допущений осуществлена Коперником, причём в очень явном виде. Количество сфер в системе Птолемея достигало 55, плюс допущения о существовании эквантов, эксцентриков, эпициклов. От почти всего этого можно отказаться, признав Землю одной из планет, вращающихся вокруг Солнца! Сложные петлеобразные траектории движения планет «внешнего круга» – Марса, Юпитера, Сатурна – становятся просто круговыми. Более того, новая гипотеза шла дальше объяснения фактов, выводимых из геоцентрической модели – Коперник рассчитал относительные радиусы орбит всех планет, что на основании прежних представлений вычислить было невозможно. Одним из самых ярких сторонников теории Коперника был Джордано Бруно. Это был не астроном, а философ, священник эпохи Реформации, горячий сторонник Лютера и борец со схоластикой. Он утверждал, что Вселенная бесконечна, наше Солнце – это одна из многих звёзд, вокруг которых тоже вращаются обитаемые планеты. Первым крупным астрономом, который попытался проверить правильность теории Коперника, был датчанин Тихо Браге. Благодаря заслугам отца Браге, датский король выделил огромную сумму денег, которую Тихо потратил на строительство лучшей в мире обсерватории Ураниборг. Четырнадцать лет подряд Браге со своими учениками вёл ежесуточные наблюдения за звёздным небом. При новом датском короле Браге вынужден был бежать в Прагу, где и умер. Его архив оказался в руках секретаря и помощника Браге – Иоганна Кеплера, открытия которого окончательно утвердили гелиоцентрическую картину мира. Браге совершил самые точные наблюдения за звёздным небом, которые были сделаны невооружённым глазом и умер за 8 лет до изобретения Галилеем телескопа. Галилея смело можно назвать отцом экспериментальной физики. Он же сыграл огромную роль в зарождении новой философии естествознания. Галилей открыл математический закон, описывающий падение тел и то, что впоследствии стало называться первым законом Ньютона. С помощью телескопа Галилей находит на Луне моря и горы. Но моря состоят из воды, а горы – из земли, следовательно, их естественное место и естественное место Луны в целом должно быть внизу, на Земле. Он наводит на Солнце свой телескоп и обнаруживает на нём пятна, которые смещаются к правому краю диска и через 27 дней появляются слева в том же порядке – следовательно, солнечный шар вращается вокруг своей оси! Он открывает 4 спутника Юпитера, движение которых не вписывается в систему небесных сфер. И, наконец, он обнаруживает фазы Венеры, наличие которых предсказано Коперником. Последнее наблюдение является прямым подтверждением гелиоцентрической теории – Венера не светящийся диск, а шар, подобно Луне, освещаемый Солнцем. Иоганн Кеплер почти не проводил самостоятельных наблюдений над звёздами – у него было слабое зрение. Однако удивительный математический талант позволил ему завершить гелиоцентрическую картину мира, пользуясь таблицами Тихо Браге. Кеплер верил, что в основе мироздания лежит простой математический закон. Семь лет он считал орбиту Марса, получил фигуру, отличную от окружности и вынужден был признать её как данность. Космос управлялся тремя законами Кеплера, о существовании которых раньше никто не догадывался. Первый закон Кеплера: планеты движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам. В фокусе эллипса находится Солнце. Второй закон Кеплера: планеты движутся с непостоянной скоростью. Постоянна площадь, которую заметает за единицу времени радиус-вектор, опущенный от Солнца. Третий закон Кеплера: кубы длинных радиусов орбит относятся к квадратам времени обращения планет как постоянные величины. Благодаря его законам, расчет движения светил стал абсолютно точным, «астрономически точным» и использование телескопов доказывало отсутствие ошибок в его вычислениях. Абсолютный закон, управляющий движением небесных тел, который искал Кеплер, был установлен Ньютоном – закон всемирного тяготения. Приняв его, можно вывести все три закона Кеплера. Это – хороший пример редукции допущений при расширении сферы действия теории на всю Вселенную. При этом проявляется закономерность, названная впоследствии «принципом соответствия» - новая теория не опровергает предшествующую, та просто становится частной отраслью новой теории. Следует отметить, что принцип соответствия начинает работать только в средневековой науке – птолемеева космология не является частным случаем космологии Коперника. Причиной тому является отсутствие в современной науке аргументов ad hoc. Она основана на проверяемых допущениях. Закон всемирного тяготения был открыт Ньютоном для объяснения законов Кеплера. Таким образом, законы Кеплера выводятся из закона всемирного тяготения, а истинность закона тяготения подтверждается законами Кеплера. Элемент тавтологии очевиден и желательна внешняя, прямая проверка закона тяготения. Она была выполнена Кавендишем через много лет после смерти Ньютона. Ввод закона всемирного тяготения повлёк за собой пересмотр всей картины Космоса. Поскольку жёстких сфер нет, звёзды могут располагаться без всякой связи друг с другом. Ньютон вынужден был признать бесконечность Вселенной в пространстве – в ограниченной Вселенной все тяготеющие массы должны упасть в общий центр. Однако звёзды находятся на тех же местах, где их наблюдали древние греки. Только в бесконечной Вселенной тяготение масс с одной стороны будет уравновешено тяготением со стороны противоположной. Впоследствии в так называемой «механистической» картине мира бесконечность Вселенной в пространстве была дополнена бесконечностью во времени. Закон всемирного тяготения не имел никакого физического объяснения. Тяготение есть сила, действующая на расстоянии, передающаяся через пустоту, причём мгновенно.

Волновая и электромагнитная теории света, понятие об эфире

Максвелл считал, что одной из частных разновидностей электромагнитных волн являются световые волны. Скорость света была измерена достаточно точно французом Физо в 1848 г. Она оказалась очень большой – около 300 000 км/сек, но конечной. Следовательно, сила, действующая на расстоянии, распространяется с конечной скоростью, не мгновенно. Физики ревностно относятся к скорости света. Дело не в видимом свете как частном феномене, дело в скорости действия поля. Свет – проявление действия электромагнитного поля. Что будет, если некоторый заряд будет двигаться со скоростью, превышающей скорость света? Этот вопрос можно поставить так: что будет, если тело, определяющее характеристики пространства, выскочит за пределы пространства, характеристики которого оно определяет? Допустим, два одноименных электрических заряда несутся навстречу друг другу со скоростями, превышающими скорость света. Они должны встретиться в некоторой точке, где силы отталкивания должны быть большими. Допустим, наши тела – две струи разреженного ионизированного газа. Они пройдут друг сквозь друга, не провзаимодействовав, поскольку поле за ними не угонится. А когда поле доковыляет до точки встречи струй, что оно будет отталкивать? Как можно определить из данного предположения, силы, действующие на заряды, как-то зависят от скорости движения зарядов. Если свет – разновидность электромагнитных колебаний…На природу света существовали две точки зрения. Одна, восходящая к Аристотелю и продолженная Ньютоном, толковала свет как поток мелких частиц. Современник Ньютона Гюйгенс разработал волновую теорию света. Она объясняла все известные к тому времени явления и позволила создать совершенные оптические приборы, которые мало изменились со второй половины XVIII. Классическими волновыми явлениями, с которыми знакомят школьников, являются дифракция и интерференция света. Интерференция – это наложение в данной точке двух световых волн, которые, будучи в противофазе, взаимно погашают друг друга, а при совпадении по фазе – усиливают.

Дифракция света – феномен "огибания" препятствия волновым фронтом. Давно известна также длина световой волны для каждого чистого цвета спектра. Однако, если свет – это волновые колебания, то что же колеблется? Со вздохом приходится признать – эфир, старый добрый Аристотелев эфир. Свет – тот же звук, только в эфире. Странное это вещество – с одной стороны, оно твёрдое, поскольку колебания его – поперечные (колебания в жидкости и газе – продольные), с другой стороны, абсолютно лишенное упругости (хоры стройные светил движутся в нём без всякого сопротивления). Он вездесущ. Помните «торричеллиеву пустоту» - вакуум XVII века? В длинную стеклянную запаянную с одного конца трубку наливаем ртуть, переворачиваем слепым концом вверх – ртутный столб держится на атмосферном давлении, а над ним – пустота. Но эфир там есть – ведь свет через эту пустоту проходит. Как он там оказался? А главное – никто не может его получить. Наш Менделеев сколько времени убил в попытках выделить эфир – и всё напрасно.

Казалось бы, что Максвелл мог бы обойтись без эфира, но и он считал, что электромагнитные волны распространяются именно в эфире. По разным причинам физики видели пространство чем-то заполненным, пустое «чистое пространство», пространство без материи непредставимо. Эфир для физиков XIX в. - абсолютно неподвижная среда.

Опыты Майкельсона и их значение

Суть их в следующем. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/сек. Луч света, пущенный с Земли по ходу её движения, должен двигаться на 30 км/ч быстрее, чем пущенный перпендикулярно орбитальной скорости, а свет, пущенный «назад» - на 30 км/час медленнее. Прибор, построенный Майкельсоном, был достаточно чувствительным, чтобы уловить разницу в скоростях света такого порядка, однако он не зарегистрировал её. Другие физики, заинтригованные парадоксальным результатом Майкельсона, тоже не могли её зафиксировать. В 1904 г. Х. Лоренц, знаменитый специалист в области теории электричества, нобелевский лауреат 1902 г. по физике, опираясь на гипотезу Фицджеральда, предположил, что тела, движущиеся через эфир, сокращаются в длине и время их движения сокращается. В конце концов, что такое скорость? Путь, деленный на время. Если мы немного поманипулируем с путём и временем, то получим подгонку результатов опытов Майкельсона-Морли под нечто объяснимое: где x’ – длина тела, движущегося со скоростью v, x – длина этого тела в покое, t’ – время для тела, движущегося со

скоростью v, t – время процессов в покое, с – скорость света.Очевидно, что перед нами допущения ad hoc.

Физические и философские основы специальной теории относительности

Теории относительности в основе своей очень проста, потому что базируется всего на двух допущениях.Допущения:1. Все инерциальные системы отсчёта равны между собой. Инерциальные системы отсчёта – это тела, движущиеся с постоянной скоростью. Всю выделенную фразу следует понимать так: для всех физических тел, движущихся с постоянной скоростью, физические законы одинаковы.2. Скорость света постоянна, не зависит от скорости источника и приёмника света. Никакое тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Собственно говоря, все физические законы будут одинаковы для инерциальных объектов, только если мы примем допущение о равенстве скорости света для всех.Следствия: Теперь пропустим оба допущения через математическую мясорубку и получим в результате преобразования Лоренца. Поверим, что математики всё сделали правильно, и они доказали не только справедливость, но и единственность полученных решений. Тогда получается, что уравнения Лоренца не есть допущения ad hoc, но следствие из очень широких обобщений. В этом случае при малых, земных скоростях v сокращение длин и времени будет так мало, что точность измерительных приборов не позволит его обнаружить. Сработает принцип соответствия: в механике Ньютона ничего менять не надо, это частный случай механики Эйнштейна – механика для малых скоростей.

Для случаев больших скоростей возникает вопрос: как быть с кинетической энергией тела, Е = Ѕ mv2, точнее, Е = Ѕm(v1 –v2)2 ? Поскольку пространство и время при увеличении скорости сокращаются, работа со скоростями, очевидно, требует больших ухищрений, чем в механике Ньютона. Из согласования этих вопросов с допущениями о равенстве физических законов на телах, движущихся с разными скоростями, получаем где m’ – масса тела, движущегося со скоростью v, m - его масса в покое. Причём для расчёта кинетической энергии получаем, что энергия тела, находящегося в покое – E ≈ mc2. Относительно чего движется тело со скоростью v? – относительно наблюдателя. Здесь главное - почувствовать симметричность преобразований Лоренца. Допустим, некоторый наблюдатель движется относительно Вас с большой скоростью и для него пара, на которой Вы сидите, кажется тянущейся целый год. Но пара, на которой сидит он, тоже будет тянуться для Вас целый год. Допустим, Вы послали лектора (ногами назад) со скоростью, близкой к скорости света, и для Вас он укоротился до 1 метра. Но и Вы окажетесь в его системе координат укоротившимися тем же образом.То есть, одно и то же тело для разных наблюдателей будет иметь разные размеры и участвовать в процессах разной продолжительности. Но если всех этих наблюдателей свести за одним столом, то их линейки и их часы покажут одинаковые значения.Парадоксальные на первый взгляд следствия из теории относительности не являются парадоксами в истинном смысле этого слова, то есть не находятся в противоречии с логикой. Одним из следствий теории относительности является неодновременность событий, оцененных в разных системах отсчёта. Но эта неодновременность не является нарушением причинных связей.

Последовательность событий в любой системе отсчёта остаётся одной и той же.Комментарий.Теория, основы которой заложены Эйнштейном в 1905 г., получила название частной или специальной теории относительности, поскольку рассматривала физику тел, движущихся только с постоянной скоростью. Эта удивительная теория, так же как и последовавшая за ней общая теория относительности на первый взгляд действительно кажется целиком выведенной «из головы». Она могла появиться и без опытов Майкельсона-Морли. Эта теория является чисто редукционной, так же как и гелиоцентрическая теория Коперника, возникает как следствие снятия логических противоречий старой теории путём удаления из неё ненаблюдаемых сущностей – абсолютного пространства и времени, связанных с эфиром, как более ёмкая переупаковка уже накопленных физикой данных.

Но при всех логических достоинствах частная теория относительности нуждалась в экспериментальной проверке. Пока она не технически не осуществима на макрообъектах, но элементарные частицы могут быть разогнаны на ускорителях до скоростей свыше 0,9999 от скорости света. Эти эксперименты показывают полное согласие теории с практикой – здесь наблюдается замедление времени, сокращение размеров и увеличение массы частиц согласно преобразованиям Лоренца.

Общая теория относительности и её экспериментальные доказательства

Общая теория относительности раскрывает природу закона всемирного тяготения. Допущение:Основное допущение ОТО очень простое и называется принципом эквивалентности. На кухонном языке оно звучит приблизительно так: если мы не можем отличить силу, возникающую в результате ускорения (например, центробежного) от силы, порождённой гравитационным полем – то это одно и то же. В более формализованном виде принцип эквивалентности выглядит так: гравитационная масса эквивалентна инерционной массе. Что известно о массе? Это понятие входит в два уравнения Ньютона: F = am и F = G·m1m2/r2, - второй закон механики и закон всемирного тяготения. Однако почему мы решили, что масса, входящая в первое уравнение и масса, входящая во второе – это одно и то же? Ведь они ничем не связаны между собой. Будем называть массу первого уравнения инерционной (mi), а из второго - гравитационной (mg). Давайте считать, что это одно и то же и посмотрим, что получится. Пропустив математические выкладки получим следующее.

Следствие: Наша Вселенная четырёхмерна («четырёхмерный пространственно-временной континуум»). Любая масса искривляет пространство-время, и наоборот, степень искривления пространства-времени материальным объектом определяет его массу. Трёхмерное тело, движущееся в искривленном четырёхмерном пространстве, испытывает угловое ускорение, которое наблюдатель воспринимает как тяготение. В любой популярной книжке по ОТО приводится одна и та же аналогия. Представим себе двумерного человечка, живущего на бесконечно тонкой плёнке. Он во всём не хуже нас, трёхмерных и у них на плёнке все такие. Представим, что этот человечек спешит из точки А в точку В. А теперь продавим эту плёнку пальцем. Человечек в недоумении: он много раз ходил этим маршрутом и проходил его за время, значительно более короткое, чем сейчас. Об удлинении маршрута он не подозревает: добавочная длина возникает в третьем измерении, опытных знаний о котором он не имеет. Он видит, что изменилась скорость его движения, а там, где есть изменение скорости, там есть ускорение, а там, где ускорение – сила. Эту силу, тормозящую его движение к точке В, он воспринимает как тяготение. Также и мы, трёхмерные, движемся по поверхности огромного четырёхмерного пузыря, испещрённого многочисленными выбоинами и колдобинами – посторонними массами. Это довольно грубая аналогия, но, по крайней мере, она наглядна. Мы и дальше ей будем пользоваться, но добавим физичности.

Во-первых, никакого дополнительного скрытого пространства нет. Физическое тело, перемещаясь в пространстве, перемещается также и во времени, в трёх пространственных измерениях плюс одном временном. Мирный обыватель очень чётко понимает различия между пространством и временем. Однако с появлением теории относительности физик-теоретик получает волшебную палочку – фундаментальную постоянную с, скорость света. Теперь, с помощью этой мировой постоянной можно время выразить через пространственные единицы, например, секунду можно задать как 300 000 км, делённые на с – скорость света, или, сходным образом, пространство через время. Наш пространственно-временной континуум – это три симметричные, сходные, различаемые только по произволу наблюдателя пространственные координаты плюс одна, (временная) особенная. Но если каждую из четырёх переменных на что-то умножить и одинаково преобразовать, то можно получить четыре совершенно неразличимые оси, каждая из которых будет в равной степени и временной и пространственной. Этот фокус называется преобразованиями Минковского. Итак, с помощью математических преобразований и палочки-выручалочки с в теоретической физике можно перейти от несимметричных привычных нам пространственно-временных координат к симметричным координатам Минковского и обратно. Нового, добавочного четвёртого измерения нет, есть новая форма представления известных уже понятий. Правда, время отличается от пространства ещё одним качеством: во времени стоять нельзя. В новых пространственно-временных координатах неподвижных объектов нет. Но если четырёхмерное пространство-время – это то, в чём мы существуем, и ничего нового, скрытого, добавочного нет, почему мы не видим его искривления массой? Потому, что оно исключительно мало. Допустим, с обрыва падает камень. За секунду он пролетит 4,9 м. Если мы выразим секунду в единицах длины (зачем – для того, чтобы отразить путь и время в некотором едином масштабе), то это составит 300 000 км пути света, т.е. при движении по одной оси на 300 000 км смещение по другой составит 4.9 м. При преобразовании координат в пространстве Минковского различия не сгладятся. И в этом пространстве-времени приходится всегда двигаться, а поскольку оно более или менее искривлено - чувствовать перегрузки на виражах. Трёхмерное геометрическое пространство, в котором, по обычному представлению мы существуем, описывается геометрией Эвклида. Эвклидова геометрия – частный случай геометрии Римана. Есть другие геометрии и у физиков возникает вопрос – какова истинная геометрия нашего мира? Так же как при обычных, привычных для нашего восприятия скоростях сокращения длин и времени неуловимо малы и неотличимы от постоянных величин механики Ньютона, так же для малых масс отличия геометрии нашего обывательского мира от прямолинейной геометрии Эвклида исчезающее малы.

Однако допущение, что мы живём именно в эвклидово пространстве – слишком сильное допущение и Эйнштейн от него отказывается, допуская существование «менее правильного» мира. Проверка: Ещё в первой редакции ОТО (1915 г.) Эйнштейн предложил два критерия проверки своей гипотезы: смещение орбиты Меркурия и искривление световых лучей в поле тяготения Солнца. Меркурий, ближайшая к Солнцу планета), находясь в нижней точке своей орбиты (перигее), оказывается в зоне наиболее искривлённого тяготением Солнца пространства-времени. Для земного наблюдателя время на нём замедляется. Это приводит к тому, что следующий виток орбиты происходит с небольшим поворотом длинного радиуса эллипса. За столетие это смещение становится величиной, которую можно зарегистрировать. Этот феномен был известен и до Эйнштейна – его открыл Леверье в середине XIX в. Расчёты по формулам ОТО совпали с наблюдаемыми данными. Эйнштейн предсказывал, что во время полного затмения Солнца звёзды, находящиеся вблизи солнечной короны, должны показаться сместившимися относительно своих исходных координат. Не то, чтобы во время затмения тяготение иное – без него звёзд не видно. Луч света от звезды, проходя вблизи массивного Солнца, движется в искривлённом им пространстве и это отклонение луча будет приводить к «смещению» звёзд.

Нестационарная Вселенная Фридмана

Вселенная Эйнштейна была замкнутой гиперсферой – безграничной, но конечной. Безграничной в том смысле, что путешествующий в ней луч света никогда не упрётся в препятствие, но конечной, имеющей определённый размер. Но в такой Вселенной возникает общее тяготение, стремящееся собрать все массы в единую точку – проблема, которую осознал ещё Ньютон. Чтобы все массы не упали в общую кучу, Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, космологический член Λ (лямбда большое). Кардинальные изменения в неё внёс Александр Фридман – советский метеоролог. Этот странный любитель работал в области космологии в 1922-1924 гг. Он указал Эйнштейну на то, что его Λ-член – совершенно лишняя конструкция. Эйнштейн вынужден был признать свою ошибку - Λ-член был типичной логической конструкцией ad hoc. Если Вселенной угодно падать внутрь самой себя – пусть падает. Так появилась концепция нестационарной Вселенной. Фридман рассмотрел несколько моделей нестационарной Вселенной. Модель пульсирующей Вселенной предполагает, что Вселенная равномерно расширяется под воздействием какого-то внутреннего импульса, но силы тяготения постоянно тормозят это расширение и, в конце концов, Вселенная станет сжиматься до приобретения нового импульса. Так камень, брошенный вверх, движется, постоянно теряя скорость, и начинает падать вниз. Другая модель предполагает, что несмотря на постоянное торможение гравитацией, Вселенная будет расширяться вечно. Так камень, брошенный со скоростью, превышающей вторую космическую, будет вечно терять скорость под влиянием тяготения Земли, но будет и вечно от неё удаляться. Фридман скончался от воспаления лёгких в возрасте 37 лет в 1925 г., за три года до того, как американец Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется - звёзды удаляются от нас тем быстрее, чем дальше они находятся, по закону Хаббла – V = HR, где R – расстояние до звезды, V скорость удаления звезды, H – постоянная Хаббла.

Эффект Доплера, красное смещение и доказательства расширения Вселенной

Как можно измерить расстояние до звезды и скорость её удаления? Хаббл нашёл особый класс звёзд – цефеиды. Это огромные пульсирующие звёзды, такие большие, что их можно различать даже в ближайших галактиках (доказательство факта наличия других галактик также принадлежит Хабблу). Все цефеиды светят приблизительно одинаково – как по яркости, так и по спектру излучения. Зная это, можно определить расстояние до цефеиды – чем она тусклее, тем дальше (интенсивность света падает пропорционально квадрату расстояния до источника). Чем быстрее удаляется звезда, тем более длинными кажутся наблюдателю электромагнитные волны, которые она излучает. Этот феномен известен также как эффект Доплера, который справедлив и для звуковых волн – визг нападающего должен быть выше, чем рёв убегающего. Самые длинные световые волны, которые различает глаз человека – красные, следовательно, чем быстрее улетает звезда, тем её свет становится краснее. Итак, по интенсивности блеска цефеид определяем расстояние до звезды, по красному смещению - её скорость и, оценив разлёт многих звёзд, сможем проследить общую закономерность расширения Вселенной. Уравнение Хаббла преподносит нам удивительный гносеологический сюрприз. Дело в том, что скорость разлёта звёзд не может превышать скорости света – а, следовательно, ограничено и расстояние до звёзд – если V=c, то R=c/H. Последнее выражение определяет так называемый ”горизонт видимости”. Сюрприз заключается в том, что познать можно только участок Вселенной, ограниченный ”горизонтом видимости”. Сама Вселенная или Метагалактика, значительно больше. Есть участки Вселенной, о которых мы никогда ничего не узнаем – световой или любой другой сигнал никогда уже не придёт оттуда, скорость разлёта участков Метагалактики не позволит ему догнать Землю. Есть нечто, о чем невозможно знать ничего, кроме того, что оно существует.

В связи с расширением Вселенной возникает вопрос: по какой модели она расширяется, каково будущее Вселенной? Полного ответа пока нет – необходимо сосчитать всю массу во Вселенной, чтобы численно определить тормозящие силы тяготения. Но большинство исследователей склоняются к мысли о том, что Вселенная будет расширяться вечно. Легче говорить о прошлом. Если мы знаем текущий объём Вселенной и закономерность её расширения, легко просчитать этот процесс назад. Тогда получится, что переместившись на 13 млрд. лет в прошлоё, обнаружим Вселенную, сжавшуюся в точку. Итак, 13 млрд. лет назад произошёл Большой Взрыв и Вселенная началась. Представить себе наблюдателя, находящегося вне Вселенной и рассматривающего её возникновение – невозможно. До Большого Взрыва не было ни пространства, ни времени, следовательно, не могло быть времени и до Взрыва. Отчего ничего взорвалось? По-правде говоря, и на этот вопрос нет удовлетворительного ответа. Физики говорят о некоей сингулярной точке, в которой находилась Вселенная в начальный момент её истории, и процессы её зарождения называют сингулярными процессами. Такое красивое слово, как сингулярность (лат. singularis - отдельный, одиночный, единственный в своем роде, исключительный) завораживает дилетантов, но говорить пока можно о доказательствах факта самого Большого Взрыва и о непроверяемых гипотезах о его причинах. Ясно одно – в начале времён Вселенная была настолько малой, что полностью управлялась квантовыми законами.

Концепция большого взрыва

Представление о развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце. В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причины и процесс рождения самой Вселенной. Только теория Большого взрыва Гамова смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя она была позже дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А. Д. Линде.В 1948 г. Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность — бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью. Но по принципу неопределенности В. Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры.В соответствии с наиболее распространенным представлением возраст Вселенной составляет 15 млрд лет.В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы – это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.

Атомизм в химии XIX в.

Атомная теория впервые возникает в Древней Греции. Её прародителями являются Левкипп и Демокрит. До нас не дошло ни строчки их трудов, известны только комментарии их учения. По этим комментариям мы знаем основной тезис первых атомистов – «нет ничего, кроме атомов и пустого пространства». «Атом» в целом – «недробимый», нечто, неподверженное дальнейшему делению. Древнегреческий атомизм на протяжении двух тысячелетий существовал без существенных изменений. Это учение не являлось каноническим, церковью не поддерживалось и не отрицалось. Новое качество и новую аргументацию атомистическое учение приобретает в XIX в. Атомизм развивали химики, а у физиков отношение к атомам было скептическим. Особенно энергично отрицали атомную структуру вещества эмпириокритики во главе с Э. Махом. Нельзя сказать, что физики были едины – в XIX в. развивалась молекулярная теория газов и создавали её такие замечательные теоретики, как Максвелл, Гиббс, Больцман. Химия как наука возникает во второй половине XVIII в. в первую очередь благодаря трудам А. Лавуазье. Основной теоретический базис, который отделил химию от алхимии – признание неизменяемости, «непревращаемости» химических элементов. Лавуазье обосновал существование 33 элементов (в их числе свет и теплород), которые, вступая в соединение друг с другом, образуют всё разнообразие природных веществ. Дальнейшее развитие химии в этом направлении шло по пути уточнения списка элементов, но без изменения концептуальной базы. В 1799 г. Пруст постулирует «Закон постоянства состава веществ» или «закон Пруста». Если в борщ положить немножко больше или немножко меньше свёклы, он останется борщом. По аналогии с этим можно ожидать, что если при образовании воды ввести больше или меньше водорода, получится вода (может быть, чуть гуще или жиже). Новорожденная химия того времени дебатировала подобные вопросы.

Но «закон Пруста» утверждает, что вода всегда одинакова и избыток водорода просто не превратится в воду. Следующим шагом, приведшим к атомному учению, был «закон кратных отношений» Дальтона (это уже самое начало XIX в.). В углекислом газе на весовую единицу углерода ровно в 2 раза больше кислорода, чем в угарном газе. Сейчас мы запишем их формулы как СО2 и СО, что означает, что с одним атомом углерода связаны, соответственно, два и один атома кислорода. Дальтон так и объяснил, почему в ряду окислов весовые соотношения меняются как целые числа – сложные вещества состоят из целого числа атомов каждого элемента. Углерод присоединяет один, два, но не «пи пополам» атомов кислорода. Итак, атомная теория из умозрительных рассуждений превращается в нечто, подтверждающееся химическими наблюдениями, и кладётся в основу теоретического аппарата химии: Дальтон публикует капитальный труд «Атомная химия». Далее Авогадро оперирует понятием «молекула». Поскольку при реакциях в газовой фазе относительные объемы исходных веществ и продуктов реакции относятся как целые числа, следует считать, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул (не атомов!). Если два объёма водорода и один объём кислорода дают два объёма водяных паров (разумеется при той же температуре и том же давлении), то это неслучайно – при таком соотношении объёмов каждая молекула кислорода и две молекулы водорода дают две молекулы воды.

К середине XIX в. расширился как круг элементов, так и объём знаний об их свойствах. К этому времени Франкланд ввёл в химию понятие «сродство», которое количественно выражалось в числе атомов водорода, которое может присоединить или заместить данный элемент. У кислорода, например, две единицы сродства, азота – три, углерода – четыре. Это то же самое, что нынешнее понятие «валентность». Купер разработал метод составления структурных формул. Пользуясь структурными формулами, Кекуле и Бутлеров положили начало современной органической химии. Для физика XIX в. атом является ненаблюдаемой сущностью. Он требует физические характеристики атома: вес, размеры, координаты в пространстве и т.д.

Открытие радиоактивности

В 1895 г. Рентген открыл лучи Рентгена. Это было замечательное научное достижение и газеты писали о нём взахлёб – это ж можно увидеть кости скелета у живого человека или струны рояля не подымая крышки! Недаром Рентгену первому была присуждена Нобелевская премия по физике. Анри Беккерель, подогретый общим ажиотажем, задался вопросом: а не могут ли тела, самопроизвольно светящиеся в темноте, кроме световых лучей испускать и другие, невидимые. С этой целью он провёл ряд экспериментов с фосфоресцирующими объектами и нашёл-таки невидимое излучение, которое засвечивало фотопластинки. Его испускали соли урана (и чистый уран тоже). И это были не лучи Рентгена, а что-то иное. Так же, как Колумб отправился искать короткий путь в Индию, а открыл Америку, так и Беккерель в поисках новых источников лучей Рентгена открыл совершенно новый мир физических явлений - в 1896 г. была открыта радиоактивность. Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец 19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того “излучений”. В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучению элементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик Джордж Джонстон Стони (1826–1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабре Вильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием.

Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет – зеленую люминесценцию. Рентген обнаружил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: то в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый веществом, который дает яркую желто-зеленую люминесценцию под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску толщиной 3 см, через алюминиевую пластину толщиной 1,5 см... Рентген понял возможности своего открытия: “Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, – писал он, – то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки”. Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование. Открытие Рентгена мгновенно облетело весь мир и поразило не только специалистов. В канун 1896 в книжном магазине одного немецкого города была выставлена фотография кисти руки. На ней были видны кости живого человека, а на одном из пальцев – обручальное кольцо. Это была снятая в рентгеновских лучах фотография кисти жены Рентгена.

Открытие электрона

А в следующем, 1897 г. Д. Д. Томсон (лучше произносить по-английски: Джи-Джи Томсон) открыл электрон. Мало кому известный до того времени Д.Д. Томсон был, тем не менее, директором Кавендишевской лаборатории при Кембриджском университете – учреждении, где великие открытия совершались чаще, чем где-либо ещё на планете. Первым Директором Кавендишевской лаборатории был Джеймс Максвелл, вторым – лорд Рэлей, третьим - Д.Д. Томсон. Он занимался катодными лучами.Можно ли пропустить электрический ток через вакуум? Возьмём стеклянную капсулу, впаяем в неё электроды, выкачаем воздух и подключим электроды к мощной батарее. В капсуле (которую далее будем уже называть электронно-лучевой трубкой) появится свечение.

Светится в данном случае разреженный газ. Если в трубке создать более глубокий вакуум, то около отрицательно заряженного электрода (катода) появится зеленоватое свечение. Металлический предмет, помещённый между катодом и стеклом, даст тень (экранированный им участок стекла светиться не будет). Итак, нечто вылетает из отрицательно заряженного электрода (катода), попадает на стеклянную стенку и заставляет её светиться. Назовём это нечто катодными лучами. Может быть, это волны эфира, а может – частицы вещества, «чистого электричества». Та же неопределенность во времена ранних работ Томсона с катодными лучами существует и для лучей Рентгена. Томсону удаётся отклонить катодные лучи в электрическом и магнитном полях. Значит, перед нами не волны эфира, а частицы. Сила отклоняющая частицы в магнитном поле, есть функция, определяемая тремя параметрами – скоростью частиц, их зарядом и массой. Сила отклонения в магнитном поле – функция от тех же трёх параметров. Зная эти силы, получаем систему из двух уравнений с тремя неизвестными. Понятно, что полностью решить их невозможно, но Томсону удаётся вычислить скорость частиц и отношение массы к заряду, m/q.

Пропускаем через раствор или расплав определённое количество электричества q и получаем на электроде определённую массу вещества m, - в электролизной ванне тоже движутся заряженные частицы вещества, их принято называть ионами. Хотя ион – такая же ненаблюдаемая сущность, как и атом, для него есть по крайней мере одна физическая характеристика – отношение массы к заряду.

Однако m/q даже самого лёгкого элемента, водорода, в 2 000 раз больше, чем у частиц катодных лучей. Что же перед нами: ион водорода (или ещё какого-либо элемента) с аномально большим зарядом, или «стандартный» по заряду ион «чистого электричества» с аномально малой массой.

Лучше выбрать последний вариант – во-первых, m/q частиц катодных лучей не зависит от материала катода (Томсон это проверил), т.е. это не есть мельчайшие кусочки катода; во-вторых масса заряженного тела и того же тела, с которого заряд «стёк», не меняется, точнее, разница не может быть измерена лабораторными весами – и для объяснения этого феномена сверхлёгкие частицы «чистого электричества» весьма подходят. Название для гипотетических частиц «чистого электричества» предложили ещё в 1891 г. – «электрон».

Томсон пошёл дальше второго варианта – он решил, что электроны – это кусочки атома, такой штучки, от которой нельзя отрезать кусочек по определению.

Теория радиоактивности Резерфорда-Содди

В 1898 г. супруги Кюри открывают радий, а Резерфорду удаётся расщепить радиоактивные лучи Беккереля. Самое удивительное в явлении радиоактивности - постоянное выделение энергии. Самое непонятное - откуда она возникает? Радий – исключительно радиоактивный элемент. Чуть позже Пьер Кюри подсчитал, что радий выделяет за час около 80 кал. энергии. С одной стороны, эмпириокритики с удовлетворением констатируют, что рухнул ещё один фундаментальный закон природы – закон сохранения энергии. С другой стороны, ежели каждый час грамм радия выделяет 80 кал. … много-много, сколько угодно много часов… а если всю эту энергию вытащить из него разом – вот это будет плюх! Русский символист А. Белый писал в стихах «И мир взорвётся атомною бомбой!». Физики тщетно пытались объяснить, что атомная бомба невозможна, никакими физическими действиями – нагреванием, давлением, электротоком и т. д. нельзя изменить равномерность истечения энергии из радия. Во-вторых, все вопросы, связанные со строением атомов, долгое время будут решаться через радий. Тот, кто владеет радием, владеет ключами к внутреннему миру атомов. Но ключ оказался у Эрнста Резерфорда. Он, во-первых, был исключительно силён и крепок физически, во-вторых, вышел из самого дальнего уголка Британской империи – деревеньки Пунгареху в Новой Зеландии, а в-третьих, сам был университетом (в том числе и нашим, советским); последнее следует понимать так: он создал международную школу атомной физики.

Сам же Резерфорд являлся учеником Дж. Дж. Томсона - самым блестящим. В 1898 г. Резерфорд является аспирантом Томсона. В сильном магнитном и электрическом поле Резерфорд разделяет истекающий из радиоактивного препарата «луч Беккереля» на поток положительно заряженных частиц – α-излучение и поток отрицательных частиц – β-излучение. β-частицы оказались электронами Томсона, а массивные α-частицы были чем-то совершенно новым. После окончания аспирантуры молодой доктор философии Резерфорд едет преподавать в Канаду, в Мак-Гилльский университет, куда в это же время судьба занесла другого выпускника Кэмбриджского университета – химика Ф. Содди. Молодой профессор-физик и лаборант-химик объединили свои усилия в работе над торием. Торий – тоже радиоактивный элемент, но активность его очень слабая, ниже активности урана, не говоря уже о радии. Молодым учёным удалось выделить из препаратов тория вещество под названием «торий-Х», впоследствии оказавшееся изотопом радия. Это было серьёзное открытие, не несущее, однако, ничего необычайного: радий и полоний тоже были выделены как примесь урана.

Очищенный от тория-Х препарат тория терял свою радиоактивность. Неожиданностью оказалось другое: лишённый тория-Х «чистый» торий через некоторое время опять содержал примесь тория-Х. И тогда было произнесено запретное слово: «Трансмутация!». Трансмутация – это алхимический термин, означающий превращение одного элемента в другой. В 1903 г. Резерфорд и Содди опубликовали серию статей, в которых они изложили теорию радиоактивности. С последующими дополнениями она может быть изложена так: радиоактивность есть акт, сопровождающий превращение одного элемента в другой. В процессе радиоактивного распада атомов выделяется огромное количество энергии. в процессе превращения атомов одного элемента в другой выделяются α- или β-частицы. В результате β-распада появляется элемент, следующий за исходным в таблице Менделеева, при α-распаде возникает элемент, стоящий на две клетки левее исходного. каждый радиоактивный элемент характеризуется своим, строго постоянным временем полураспада. Например, для урана это 4,5 млрд. лет, для тория - 14 млрд. лет, изотопа радия, выделенного Кюри – 1 600 лет. За создание теории радиоактивности и открытие явления трансмутации Резерфорду была присуждена нобелевская премия по химии (1908; несмотря на выдающиеся открытия, Резерфорд, член всех академий мира, так и не стал нобелевским лауреатом по физике; Содди получил Нобелевскую премию по химии в 1921 г. за достижения в исследовании изотопов).

Теория броуновского движения как доказательство атомной структуры вещества

В 1828 г. ботаник Броун (правильнее – Браун), рассматривая под микроскопом пыльцу сосны, заметил, что зёрнышки пыльцы подрагивают и перемещаются. И не только пыльца – все мелкие предметы, взвешенные в воде или газе (например, частички, составляющие дым) находятся в непрерывном движении. В 1905 г. Эйнштейн дал физическую теорию этого движения. Согласно кинетической теории газов, молекулы газа находятся в непрерывном движении и постоянно сталкиваются друг с другом. Некоторые молекулы в данный момент времени движутся быстрее, некоторые – медленнее, но средняя скорость при данной температуре и давлении не меняется. Формулу распределения молекул по скоростям вывел Максвелл, она так и называется – распределение Максвелла. Если взять какой-либо диапазон скоростей, например от 0 до 5 000 м/сек и разбить его на несколько интервалов, скажем, на 10, то с помощью распределения Максвелла можно рассчитать, какой процент молекул будет иметь скорость от 0 до 500 м/сек, какой – от 500 до 1000 и т.д.

Это распределение описывает также количество молекул воздуха (а, следовательно, и давление) на любой высоте над уровнем моря – чтобы высоко улететь и приобрести высокую потенциальную энергию, нужно иметь большую энергию кинетическую, а доля молекул с большой кинетической энергией как раз и рассчитывается по распределению Максвелла. Если рассматривать смесь разных газов, то средние импульсы молекул каждого газа равны между собой. Допустим, в имеется смесь азота и водорода. Молекулы азота в 14 раз тяжелее молекул водорода. При равенстве средних импульсов mазVаз = mводVвод (m – масса, V – скорость) средняя скорость молекул водорода должна быть в 14 раз больше, чем у молекул азота. Пропустив частности, законы распределения молекул в газе можно распространить и на жидкость. Эйнштейн решил, что с точки зрения ньютоновой механики частицы, участвующие в броуновском движении, можно рассматривать как очень крупные молекулы – главное ведь не структура, а масса и скорость. Тогда средний импульс броуновских частиц, должен быть таким же, как в молекулах газа или жидкости. И наоборот – зная средний импульс частиц, можно определить импульсы молекул. Жан Перрен экспериментально проверил гипотезу Эйнштейна.

Для этого он изготовил очень мелкие шарики одинаковой массы и рассмотрел под микроскопом распределение этих шариков по высоте. Количество шариков в зависимости от высоты относительно предметного столика микроскопа менялось по тому же закону (распределению Максвелла), что и давление воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря, только вертикальный масштаб был иной, изменённый пропорционально разнице в массах молекул газов воздуха и броуновских частиц. Такое совпадение не может быть случайностью.

Оно говорит о том, что молекулы обладают массой и импульсом, и, более того, теория броуновского движения позволяет рассчитать массу молекул следовательно, и атомов. В простейшие формулы кинетической теории газов входит N, число Авогадро (количество молекул газа в метрическом объёме), например Давление Объём = 2/3 N Средняя кинетическая энергия молекулы Таким образом, зная массу молекулы, можно рассчитать число Авогадро (Перрен сделал это с 12% ошибкой), и, далее, размеры молекул. Приблизительно в это же время Резерфорд, исследуя число распадов атомов радиоактивных веществ в единицу времени, рассчитал число Авогадро совершенно иным методом и его результат оказался в соответствии с данными Перрена. Оказалось, что физические характеристики визуально ненаблюдаемых молекул и атомов могут быть измерены. «Увидеть» молекулы и атомы удалось довольно скоро – в 1912 г. Макс Лауэ получил дифракцию рентгеновских лучей на кристалле сернокислой меди. Таким образом, в начале ХХ в. атом становится физической реальностью. Ж. Перрен за свои эксперименты работы в области броуновского движения получил Нобелевскую премию 1908 г.

Планетарная модель атома Резерфорда

Резерфорд установил, что α-частицы являются ионами гелия. В 1909 г. он начал работу по рассеиванию α-частиц на золотой фольге и обнаружил странное явление – некоторые α-частицы отклонялись при этом на очень большие углы. К этому времени размер атомов и межатомные промежутки в металлическом золоте были известны. Представьте себе определённое количество шариков, висящих в пространстве определённого объёма. Будем стрелять по ним вслепую, наугад более мелкими упругими шариками. Очевидно, что хороший математик, зная, сколько снарядов прошло мимо, а сколько отразилось от мишеней, сможет рассчитать размер мишеней. Помощникам Резерфорда удалось собрать статистику рассеиваний для 150 000 «выстрелов». На этих абсолютно надёжных данных Резерфорд рассчитал размер мишеней, и оказалось, что они в тысячи раз меньше размера атома. Отсюда последовал вывод: атом имеет очень маленькое массивное положительно заряженное ядро и рыхлую внешнюю часть, образованную вращающимися вокруг ядра электронами. Тогда понятно, почему мишень так мала: α-частицы отражаются не от атома, а от ядра. Масса электрона почти в 8 000 раз меньше массы α-частицы, поэтому при столкновении её с электроном на периферии атома никакого сколько-нибудь заметного отклонения траектории α-частицы не произойдёт. Теория Резерфорда получила название «планетарной модели атома». Эта метафора очень удачна: электроны, подобно планетам Солнечной системы, вращаются на огромном по сравнению с их собственными размерами расстоянии от массивного ядра. Их связывает с ядром не сила тяготения, а сила притяжения разноименных зарядов. Однако электрон, вращающийся вокруг ядра, как и любое вращающееся тело, имеет угловое ускорение. Ускорение заряда порождает магнитное поле, которое тормозит его движение. Поэтому электрон, в отличие от планеты, при вращении должен постоянно терять скорость и, как следствие, упасть на ядро. Резерфорд выдвинул гипотезу планетарного атома в 1911 г., но она была молчаливо отвергнута научным сообществом. Так, например, крупнейший российский физик Лебедев, делая для журнала «Нива» обзор успехов физических наук за 1911 г., даже не упомянул про планетарную модель атома.

Излучение абсолютно чёрного тела и кванты Планка

Слово “квант” впервые произнёс Макс Планк в 1900 г. До этого Планк четыре года безуспешно пытался решить проблему излучения абсолютно чёрного тела. Суть её в следующем. Свет, как и прочие электромагнитные волны, излучается по двум причинам: во-первых, потому, что тело-излучатель нагрето и светится “само из себя”, во-вторых, потому, что оно отражает свет, падающий извне. Последнее неинтересно. Придумаем некоторое идеальное тело, которое ничего не отражает, а только излучает под влиянием внутреннего тепла и назовем его абсолютно чёрным телом. Это – идеальная модель для исследования процессов электромагнитного излучения. К началу ХХ в. известно про него следующее: экспериментально получены эмпирические кривые распределения энергии по частотам в зависимости от температуры тела; вся энергия излучения (по всем частотам интегрально) пропорциональна четвёртой степени температуры (закон Стефана-Больцмана): Eобщ= σT4, где σ – постоянная Стефана-Больцмана; Длина волны, соответствующая пику кривой распределения энергии, Емакс, делённая на температуру, есть постоянная величина (закон смещения Вина). Теперь дело за малым: найти формулу, описывающую ход эмпирических кривых. Представим абсолютно чёрное тело в виде дырки, полости внутри закрытого сосуда. В этом объёме находятся электромагнитные волны, которые отражаются от стенок, испускаются и поглощаются стенками. Получим что-то вроде пространства, заполненного стоячими волнами – такие появляются в чашке чая, если чашку поставить на столик быстро движущегося поезда. В чашке с чаем они возникнут от толчков с определённой, постоянной частотой. А каковы частоты колебаний электронных осцилляторов? (что-то вроде шарика на пружинке (от лат. oscillo — качаюсь)) – самые разные. Но чтобы в сосуде образовались стационарные стоячие волны (а они обязательно должны установиться согласно классической теории), необходимо, чтобы расстояние между стенками сосуда равнялось половине длины волны, или двум половинам, или трём и т.д. По законам статистической физики, каждая из таких волн, как длинных, так и коротеньких, должна иметь в среднем одну и ту же энергию. Но длинных волн в сосуде поместится мало, а короткие можно мельчить до бесконечности.

Стало быть, волны мелкой и мельчайшей длины “вытянут” на себя всю энергию. Стало быть, основное излучение при любых температурах должно приходиться на коротковолновую часть спектра. Этот теоретический вывод получил название “ультрафиолетовая катастрофа” (ультрафиолетовые волны – самые короткие электромагнитные волны, известные физикам того времени). Формула, которая приводила чёрное тело к “ультрафиолетовой катастрофе”, называется уравнением Релея – Джинса. Макс Планк четыре года бился над решением загадки “ультрафиолетовой катастрофы”. В конце концов он допустил, что электрон-осциллятор работает по принципу “всё или ничего” - энергия его излучения является строго определённой “порцией”, и, скажем, “полпорции” он излучать не может. Если положить размер “порции” обратно пропорциональным длине волны, то тогда длинноволновой осциллятор без труда сыщет энергию для излучения “порции”. Но чем короче волна, тем больше энергия в “порции”, а где ж её взять? Вот и получается, что при низких температурах чёрного тела коротковолновые осцилляторы не излучают (энергии не хватает на “порцию”), и “ультрафиолетовая катастрофа” побеждена. Планк назвал такие “порции” квантами, и этот простейший из возможных “ограничитель энергии” записал так: Е = hc/λ = hν, где Е – размер “порции энергии”, кванта, λ (“лямбда”) – длина волны излучения, c/λ = ν (“ню”) – частота световой волны, h (“аш”) - коэффициент пропорциональности, получивший название “постоянная Планка”. И чудо случилось: формула зависимости энергии от температуры и частоты не только хорошо совпала с экспериментальными данными, но из нё удалось вывести законы Стефана-Больцмана и Вина! Одно нехорошо: почему это осциллятор должен выбрасывать энергию “порциями”? Планк предложил теоретическое обоснование для существования квантов, но оно оказалось неудовлетворительным.

Теория фотоэффекта

В том же номере журнала, в котором была опубликована первая статья по теории относительности, была ещё одна работа Эйнштейна, анализирующая структуру света. Весомая материя состоит из недробимых атомов, а электромагнитное поле представляется как нечто однородное и неделимое. Однако излучение, согласно Планку, не непрерывно, а дискретно, и есть некоторые данные, наталкивающие на мысль, что и поглощение дискретно. Нельзя ли предположить, что электромагнитное поле дискретно всегда, состоит из частичек – квантов, атомов поля? Эйнштейн применяет термодинамические уравнения к лоренцовым осцилляторам для случая малых температур и энергий (здесь зернистость излучения должна выступать отчётливей) и получает формулы, очень сходные с формулами, описывающими поведение молекул газа. Явление, наталкивающие на мысль о дискретности поглощения – это фотоэффект. Феномен фотоэффекта был открыт Герцем в 1878 г. и десятилетием позже детально изучен Столетовым. Говоря языком более поздней физики, при облучении металла ультрафиолетом его поверхность начинала испускать электроны. Если длина волны излучения была больше пороговой, фотоэффект отсутствовал. С уменьшением длины волны и соответственно, частоты света, он рос. Кинетическая энергия вылетающих электронов линейно зависела частоты света, но на неё совершенно не влияла интенсивность облучения. Это было странно. Энергия колебательных движений определяется не только частотой, но и амплитудой. Разумно предположить, что осциллирующий электрон, как гимнаст на батуте, поймав резонирующую частоту, будет подпрыгивать всё выше и выше, увеличивая амплитуду – пока не выпрыгнет вон из металла. Чтобы проделать этот фокус, достаточно дать интенсивное излучение, а частота совершенно не важна. В этой статье Эйнштейн даёт и объяснение фотоэффекта. Кванты Планка – реально существующие частицы, которые, попав в электрон, выбивают его из металла. Осциллирующий электрон - что-то вроде шарика на пружинке. Для того, чтобы порвать пружинку, необходимо затратить работу. Если энергия кванта света равна или превышает численное значение этой работы, то квант света выбьет электрон, причём, чем больше энергия фотона превышает пороговую работу ("разрыв пружинки"), тем быстрее будет двигаться выбитый электрон. Ну а энергия кванта прямо зависит от частоты. Скорость выбитого электрона тоже должна быть прямо пропорциональна частоте. Замечательный экспериментатор Роберт Милликен продемонстрировал линейную зависимость скорости от частоты – но только в 1915 г. Итак, планковская “порция” энергии оказывается материальным тельцем, энергия становится веществом – это раз. Свет превращается в поток частиц – квантов –это два. И, наконец, когда мы решаем задачи со сталкивающимися шариками, должны учитывать закон сохранения импульса. Импульс = масса скорость. Массы у света нет – откуда взяться импульсу? Эйнштейн рассматривает энергию кванта (она-то есть) как эквивалент релятивистскому дефекту масс E = mс2, где с – скорость света. Тогда если энергию разделить на скорость света, получим нечто размерности импульса. Здесь всё вопиёт к отмщению. Энергия, работа – это сила, умноженная на путь, нет в ней ничего материального, сила и путь – это не то, что можно трогать. Планк определил какие-то ограничители для колеблющихся электронов. Природа их непонятна, но предположить, что эти ограничители способны летать в пространстве – абсурд! Свет - волновой процесс, а не поток частиц, и тому есть миллионы доказательств. А уж если квант света - частица, то почему её энергия определяется через длину волны или частоту колебаний? И, наконец, это математическое шулерство с импульсом! Публикации Эйнштейна по фотоэффекту вызывали у многих физиков не только неприятие, но и открытое возмущение. Эйнштейн посвятил квантованию света серию статей, в которых, в частности, пытался отыскать связь между волновой и корпускулярной природой света. Он чувствовал физическую несостоятельность концепции света как “волн эфира без эфира“. Лоренц в 1909 г., сравнивая оба подхода, находил зияющие бреши и там и тут. Он показал, что объяснить фотоэффект волновая теория не способна – электрон слишком мал, чтобы та часть света, которая падает именно на него, способна была произвести какую-либо работу. Накапливались факты, подтверждающие корпускулярную теорию света и квантовую природу распределения энергии в веществе – в области люменисценции, фотоионизации, физике низких температур (нарушение закона Дюлонга-Пти).

Квантовая модель атома Бора. Спектроскопия

Согласно формулам излучения абсолютно чёрного тела, нагретое вещество должно излучать электромагнитные волны в непрерывном диапазоне частот. Однако реальные а не идеальные тела могут нарушать эту закономерность. Если разложить излучение химически чистых элементов с помощью призмы в спектр, окажется, что излучение представлено не широкими полосами, а отдельными узкими линиями. Это и есть спектр излучения. Существует и спектр поглощения – если пропускать свет через пары или прозрачный раствор того же вещества, то в нём исчезнут частоты, в точности соответствующие линиям спектра поглощения. В начале ХХ в. это явление было хорошо известно. Каждый элемент имеет свой собственный набор спектральных линий. Иногда даже там, где качественный химический анализ не может выявить наличие определённого элемента, в спектре смеси удаётся выявить характерные линии и доказать присутствие искомого элемента.Квантовая модель атома Нильс Бор в 1911 г написал прекрасную дипломную работу и получил возможность целый год стажироваться в любом университете Европы за казённый счёт. Он поехал было в Кембридж к Томсону, но здесь его работа не заладилась, и он оказался в Манчестере, у Резерфорда, вокруг которого уже тогда складывался прекрасный коллектив молодых энтузиастов. Бор вернулся в Данию горячим сторонником планетарной модели атома, и, беседуя с аспирантом-спектроскопистом, неожиданно нашёл решение противоречий атома “по Резерфорду” и планковских квантов. Рассмотрим простейший атом водорода. Электрон, вращаясь вокруг ядра, должен непрерывно излучать электромагнитные волны (это тот же осциллятор), и, теряя скорость, упасть на ядро. Но если Планк прав, то электрон не может излучать непрерывно, энергия испускается только “порционно”. Энергия электрона – это кинетическая энергия вращающегося шарика E = ЅmV2, где m – масса электрона, V – его скорость. Если она меняется “порциями”, значит, так же, “порциями” должна меняться и скорость. Центробежная сила, возникающая при вращении, равна электрическому притяжению ядра (масса и заряд электрона были определены в 1911 г. Р. Милликеном). Эта центробежная сила зависит от скорости и радиуса. Поскольку радиус вращения электрона через силу связан со скоростью, при изменении скорости “порционно” так же, квантовано, должен меняться и радиус его орбиты. Итак, электрон может излучать или поглощать энергию, только перескакивая с орбиты на орбиту. Находясь на некоторой постоянной орбите, никуда не перескакивая, он не излучает. Есть некоторая орбита минимального радиуса, ниже которой перескочить невозможно. Попав на неё, электрон может поглотить квант света строго определённой частоты и перепрыгнуть на вторую, третью, n-ю орбиты, где в свою очередь, поглотить или испустить квант света. Теперь понятно, почему спектр чистого элемента линейчатый. Если в атоме водорода электрон перескакивает с первой орбиты на вторую, третью и т.д., значит он захватывает кванты света с частотами ν1, ν2, …νi, а остальной свет пропускает. Вот и получается спектр поглощения для линии Бальмера. Поскольку каждый элемент имеет свой собственный заряд ядра (это установил в 1913 г. ученик Резерфорда Г. Мозли, Бор был в курсе его работ), который определяет свою центробежную силу и свои радиусы орбит, постольку каждый элемент имеет свои собственные спектры излучения и поглощения.Все процессы поглощения и испускания квантов света в атоме водорода можно определить, зная число n - номер орбиты, который меняется от 1 до бесконечности. Однако чем дальше от ядра, тем ближе друг к другу радиусы соседних орбит и при больших значениях n спектр становится не линейчатым, а практически непрерывным. Оторванные от ядер электроны “электронного газа” в металлах тоже могут давать непрерывный спектр. И, наконец, на этой дальней периферии атома частоты излучения совпадают с частотой вращения электрона и на этом уровне реализуется “электронный осциллятор”. Тут опять мы сталкиваемся с принципом соответствия – классическая электронная теория (за которую в 1902 г. Х. Лоренц получил Нобелевскую премию) оказывается частным случаем квантовой теории атома. Бор рассчитал минимальный радиус атома водорода для n = 1 (теперь он называется “радиус Бора”) – оно совпало с экспериментальными данными, вывел из квантовой теории атома формулу Бальмера и выразил через комбинацию физических постоянных число Ридберга, значение которого до этого было получено только опытным путём. О случайных совпадениях здесь говорить не приходится – Бор прав. Итак, два физических ублюдка – квантовая гипотеза Эйнштейна и планетарная модель атома – объединённые Бором, превратились в фундаментальную теорию. Правда, боровская теория хорошо объясняла только атом водорода и однократно ионизированный атом гелия, да авось утрясётся…

Дуализм волна-частица и его доказательства

В классической физике все процессы дробимы и непрерывны – кроме колебательных. Натянем между двумя точками струну и приведём её в движение. Разнообразие простых колебаний, которые можно получить таким образом, бесконечно большое, но ограниченное условием - половина длины волны должна укладываться на расстоянии между точками прикрепления один, или два, или три - n раз, где n – целое число от 1 до бесконечности. Не волновые ли процессы лежат в основе постулатов Бора? В 1923 - 1925 гг. Луи де Бройль высказал идею, что не только квант света, - все элементарные частицы являются одновременно и частицами и волнами, причём длина волны очень просто зависит от импульса частицы: λ = h/p, где h – постоянная Планка, р – импульс. В том, что электромагнитный квант – частица, физиков убедил эффект Комптона, открытый в 1923 г. Квант рентгеновского излучения, попадая в электрон, теряет часть своей энергии и переизлучается с меньшей частотой. Энергия тратится на то, чтобы электрон разогнать. Весь процесс можно описать как столкновение упругих шариков на основании закона сохранения импульса. Элементарных частиц тогда было всего-то три – квант света, фотон (он получил это название в 1921 г.), электрон и протон – Резерфорд “окрестил” его в 1920 г. В таком случае, длина волны электрона в атоме, полученная из его импульса, действительно оказывалась близкой к окружности атома. Правда, перед нами объяснение неизвестного через непонятное, и первый вопрос, который тут же возникает: частица – это колебание чего? Но здесь можно спрятаться в “убежище невежества”. Главное другое – как одна и та же вещь может быть и волной, и частицей? Противоречивость этих двух понятий слишком очевидна, чтобы её разъяснять. С другой стороны, если фотон – частица, то почему его энергия определяется через частоту колебаний? А если электромагнитная волна, то почему вышибает электрон из атома? Де Бройль знал о существовании математического аппарата, который в классической физике позволяет описать движение ансамбля материальных точек волновыми функциями (преобразования Гамильтона и Лагранжа). Правда, использовать его никто не пытался – не было в этом никакого физического смысла, но в принципе это возможно. И если электроны в атоме представить так, то квантовое число n может быть просто числом стоячих волн в атоме – и тогда загадка квантовых скачков решена! Де Бройль показал, что электрон может быть представлен стоячей волной. Это “может быть” означает не только то, что данное положение не доказано экспериментально, но и то, что из такого допущения нет никаких проверяемых теоретических следствий. Де Бройль предположил, что частица – это суперпозиция (наложение) многих мелких волн, которые дают единственную пучность. Теорема о разложении в ряды и интегралы Фурье утверждает, что любая достаточно гладкая функция может быть представлена как суперпозиция (сумма или интеграл) гармонических функций с различными частотами. Правда между математикой и физикой есть та существенная разница, что физика не произвольна в выборе функций. “Волновой пакет”, который удовлетворял бы условиям движущегося электрона, ни де Бройлю, ни кому другому получить не удалось. Итак, в 1923-24 гг. де Бройль удивляет физиков математическими фокусами. Однако волновые свойства электрона чуть позже были доказаны экспериментально – в 1927 г. американцы К. Дэвиссон и Л. Джермер и независимо от них англичанин Джордж Томсон (Джи-Пи Томсон, сын Джи-Джи Томсона) открыли дифракцию электрона. Длина волны электрона в точности соответствовала формуле де Бройля. Сложившаяся ситуация получила название “корпускулярно-волновой дуализм”. Слово “дуализм следует переводить как “двойственность”.

Квантовые механики Шрёдингера и Гёйзенберга

В 1926 году появляются две альтернативных по духу квантовых механики – матричная механика Гейзенберга и волновая механика Шрёдингера. Вернер Гейзенберг объяснял свою попытку стремлением отказаться от ненаблюдаемых сущностей. Бор, для того, чтобы объяснить спектр водорода, рассматривает электрон как шарик, вращающийся с определённой скоростью вокруг ядра, причём на это вполне классическое представление накладываются классически необъяснимые ограничители – постулаты Бора. Но проверить истинность модели Бора, например, получить измерение скорости электрона не из формулы, а путём наблюдений, невозможно. Правильность теоретических выкладок определяется её согласием со спектром водорода. А нельзя ли получить теорию спектров, изложенную таким языком, где нет непрерывных, неквантовых понятий, без постулатов и вращающихся шариков? Гейзенбергу удаётся решить эту задачу следующим образом: для основных понятий классической физики вводятся их квантовые аналоги - такие, которые по принципу соответствия для больших квантовых чисел n, переходят в привычные координаты, скорости и другие характеристики макрофизики. Эти квантовые аналоги не числа, а групы чисел, знаки и параметры в математических формулах оперируют также не с числами, а упорядоченными группами чисел. Квантовая механика - набор дискретных, квантовых функций, исчерпывающим образом описывающих физику микромира, которые при увеличении масштабов системы вырождаются в непрерывные функции макромира. Первый набросок квантовой механики 24-летний Гейзенберг публикует в ноябре 1925 г. В следующим году Борн и Иордан привели в порядок математический аппарат квантовой механики, изложив его на языке непривычной для физиков матричной алгебры (указанные выше группы чисел образуют матрицы; с ними производятся операции сложения, умножения и т.д.), а Паули рассчитал этим методом спектр водорода. Оказалось, что матричная механика объясняет более широкий круг квантовых феноменов, чем "старая" квантовая теория Бора. Однако новая теория абсолютно ненаглядна – вращающийся шарик исчез, остались только формулы матричной алгебры. Юного Гейзенберга это мало заботит, он уверен, что главное – довериться математике, а она, как умная лошадь, сама вывезет куда надо. Никаких волновых качеств электрон Гейзенберга не имел. Эрвин Шрёдингер шёл встречным курсом - если Гейзенберг выводил классическую механику из матричной, Шрёдингер стремился объяснить кванты классическим путём. Он развил волновую теорию де Бройля и построил работоспособную математическую модель атома, в которой электроны являлись стоячими волнами и, по его представлению, вернул квантовую теорию в классическое русло. Вся квантовая механика уместилась в одну формулу - знаменитое "уравнение Шрёдингера", она же "пси-функция", описывающая состояние волны-частицы в данной точке трёхмерного пространства. Первая статья с новой формулой появилась в 1926 г. Из волновой формулы Шрёдингера тоже можно было получить спектры водорода и гелия. В том же году Шрёдингеру удалось доказать, что волновая и матричная механики совершенно тождественны – с помощью математических преобразований они могут быть переведены друг в друга. Однако несмотря на математическую эквивалентность, физический смысл теории Гейзенберга и теории Шрёдингера был взаимоисключающим. В сентябре 1926 г. Шрёдингер и Гейзенберг встретились у Бора в Копенгагене, но многодневная дискуссия не выявила никаких точек соприкосновения в их мировоззрениях.

Принцип неопределённости принцип дополнительности

Принцип дополнительности К началу 1927 г. Бор окончательно осознал, что физике не избавиться ни от дискретности квантовых скачков, ни от непрерывной волновой природы электрона. Ответ на вопрос – что есть электрон – волна или частица был следующим – и не волна, и не частица. Проблема переместилась из физики в теорию познания: проблема корпускулярно-волнового дуализма есть проблема неадекватности нашего языка. Система пространственных образов, которая характерна для человеческого мышления, ограничена. Например, такие понятия, как частица, импульс, траектория – это понятия того большого мира, в котором мы живём. В микромире же есть свои сущности, которые связаны с понятиями частицы, импульса, траектории только принципом соответствия – если объект наблюдения делать всё более и более крупным, он всё более и более будет становиться частицей. Электрон – не шарик, не кубик, не волна, это нечто такое, чему принципиально невозможно придать зрительную форму. Поскольку модели электрона, адекватной нашему языку зрительных образов, нет, мы должны использовать набор образов-протезов, каждый из которых, будучи неполным, в чём-то дополняет другой неполный и все вместе они делают картину более целостной. Хотя зрительные образы электрона-волны и электрона-частицы являются взаимоисключающими, математические модели, вызывающие в нашем сознании эти образы, не вступают в логическое противоречие друг с другом. Принцип дополнительности – философская концепция, допускающая необходимость использования разных теоретических моделей для описания одного реального объекта. Изначально он выдвигался для смягчения противоречий корпускулярно-волнового дуализма, но это их разрешение оказалось временной конструкцией и было замещено в дальнейшем вероятностной интерпретацией уравнения Шрёдингера. Бор считал принцип дополнительности очень важным и пытался внедрить его в другие естественные науки, в первую очередь в биологию – без особого успеха. Буквальное истолкование принципа дополнительности, по-видимому, мало плодотворно, однако сама проблема неадекватности языка науки познаваемому объекту, безусловно, чрезвычайно важна, просто решения её не бывают настолько “лобовыми”, прямолинейными, как это представлялось Бору. Принцип неопределённости Одновременно с появлением принципа дополнительности Гейзенберг выдвинул принцип неопределенности: Δх · Δp ≥ h. Δх – погрешность в определении координаты частицы, Δp – погрешность в определении импульса h – постоянная Планка. Невозможно одновременно определить импульс и координаты частицы. Чем точнее удаётся выяснить координаты электрона, тем более неопределённым оказывается импульс и наоборот. Впоследствии были найдены другие неравенства неопределённости, величины, получившие название сопряжённых. Самое важное из них - ΔЕ · Δ t ≥ h, погрешность в определении энергии, умноженная на погрешность в определении времени больше постоянной Планка. Философское значение этой маленькой формулы осмысливается до сих пор. Первоначально дело обстояло так: допустим, нам нужно измерить импульс электрона – массу, умноженную на скорость. Масса известна, требуется определить скорость – засечь время электрона на старте, время на финише и путь разделить на разницу во времени. Как увидеть старт электрона? Световая волна слишком длинная для того, чтобы реагировать на электрон. Не беда, есть волны короче электрона – гамма-излучение. Однако чем короче волна, тем больше энергия электромагнитного кванта: E=hν = hc/λ. Гамма-квант, попав в электрон, просто сшибёт его со старта и не даст измерить импульс. Вывод первый – наши приборы никогда не позволят производить точные наблюдения над частицами. Подразумевается, что сами-то импульс и координата есть, да только нам они не будут известны, поскольку приборы вносят искажения в эксперимент. Однако действительно ли электрон имеет эти характеристики “для внутреннего пользования”? Может быть прав Бор, импульс и координаты – это атрибуты объектов макромира, а электрон имеет иные характеристики, адекватно отразить которые в рамках языка макромира просто невозможно? Может быть сопряжённые величины – ипостаси некоего единства, которое можно понять только в дополнительности? В современной физике неопределённость рассматривают именно как свойство материи, а не следствие несовершенства способов наблюдения. Принцип неопределённости можно получить не только анализируя мысленные эксперименты над “освещённым электроном”, но и непосредственно из уравнения Шрёдингера, не вводя наблюдателя. Вероятностная трактовка уравнения Шрёдингера, сделанная Борном, убирает наблюдателя и его несовершенные приборы и делает неопределённость деталью более общей картины мира.

Вероятностное обоснование уравнения Шрёдингера (Макс Борн)

Если электрон – волна, то что колеблется? Макс Борн в 1928 г. ответил на этот вопрос. Волновая функция не есть колебание материального тела, это функция, определяющая вероятность нахождения электрона в данной точке (эту вероятность задаёт квадрат амплитуды волновой функции). Координаты частицы невозможно определить точно. Можно лишь рассчитать вероятность нахождения её в данный момент времени в данной точке пространства – и ничего более. Уравнения, определяющие эту вероятность, записываются волновыми функциями. Вероятностное истолкование волнового уравнения получило название “копенгагенская интерпретация” (хотя сам Борн работал в Геттингене). Существовали и другие версии осмысления волновой функции, например, “брюссельская интерпретация”, но копенгагенская является ведущей. Под “копенгагенской интерпретацией” понимается также триединство “объект-прибор-наблюдатель”. Эта философская позиция, которую развивал Бор, подразумевала, что квантовая физика изучает не только внешний объект, наблюдатель и прибор “встроены в теорию”. Предполагалось, что в зависимости от того, какой прибор выбирает наблюдатель, такую ипостась частицы – волновую или корпускулярную – удаётся зарегистрировать. Вместе, одновременно, обе характеристики получить нельзя. Является ли электрон волной или корпускулой - зависит от наблюдателя. От субъективизма в физике удаётся избавиться, если принять, что вероятность –характеристика состояния, имеющая чисто физические причины. Такая философская позиция у современных физиков является ведущей.«Анализируя степень обоснованности положения о вероятностной интерпретации волновой функции, отметим, что в квантовой механике две основные задачи — нахождение характеристик стационарного состояния атома, т. е. энергии, квантовых чисел, о которых пойдет речь в следующем разделе, и расчет вероятностей ядерных реакций как функций энергий и углов рассеяния частиц. Решение первой задачи, основной в атомной физике, не требует интерпретации волновой функции, так как энергия и квантовые числа физической системы находятся как условия, при которых уравнение Шредингера имеет решение. В основе постановки второй задачи, относящейся к ядерной физике, лежит вероятностная интерпретация волновой функции. Многие такие задачи решены и блестяще согласуются с экспериментом. В настоящее время нет экспериментальных указаний против вероятностной интерпретации Борна, так же как нет и альтернативной трактовки волновой функции.» (Дубовой, 1979).Для иллюстрации объективности вероятностных процессов можно использовать феномен туннельного эффекта. Представьте себе одинаковые рюмки, стоящие на горизонтальной крышке стола. В одной из рюмок (назовём её А-рюмка) находится горошина. Чтобы переместить её в другую рюмку, нужно сначала затратить энергию на подъём горошины, а затем эту энергию получить обратно. В итоге энергетический баланс будет нулевым.Ситуацию, в которой находится горошина, называют наличием потенциального барьера. В нашем мире горошина никогда не сможет переместиться из одной рюмки в другую – она никогда не получит нужной энергии для преодоления потенциального барьера.Но в квантовом мире микрочастица может выйти за пределы потенциального барьера, если он не очень широк – пси-волна не полностью поглощается стенками узкого барьера, по другую его сторону ослабленная волна всё же имеет ненулевое значение. Пси-волна – функция вероятности нахождения частицы в данной точек пространства. Это значит, что вероятность обнаружения частицы на дне Б-рюмки хоть маленькая, да существует. Главное, чтобы при этом не нарушился закон сохранения энергии.Это – основа теории α-распада, созданной Гамовым в 1928 г. α-частицы, находящиеся в ядре атома, отделены от внешнего мира потенциальным барьером. У радия и некоторых других элементов он не очень широк и α-частицы имеют мизерный шанс совершить побег. В препарате радия с большим числом атомов такая вероятность превращается в закономерность.Кто не понял физической сути туннельного эффекта, должен сосредоточиться на главном - α-распад осуществляется без наблюдателя и его приборов, вероятностные процессы здесь не есть следствие погрешности эксперимента.Так, начиная с 1913, вероятностный детерминизм непрерывно расширял свои владения, пока не стал главным принципом квантовой физики. Полное осознание его господства наступило довольно поздно. Так, Борн получил Нобелевскую премию только в 1954 г. В физике макромира жёсткий детерминизм остаётся господствующим. В теории вероятности существует закон больших чисел Чебышева, который можно сформулировать приблизительно следующим образом: чем больше объём статистического материала, тем меньше погрешностей в предсказании обобщённых результатов эксперимента. Если выборка стремится к бесконечности, то погрешность становится бесконечно малой. Законы статистических распределений обычно называют просто статистиками. Поведение ансамблей элементарных частиц описывается другими формулами – это статистика Ферми-Дирака для частиц вещества (фермионов) – электронов, протонов, нейтрино и т.д. и статистика Бозе-Эйнштейна для квантов полей (бозонов) – например, для квантов света. В квантовой физике они играют огромную роль.

Открытие нейтрона, электрона, мю-мезона

В 1932 г. сотрудник Резерфорда Д. Чэдвик открыл нейтрон, точнее, электрически нейтральный объект с массой, приблизительно равной массе протона. Существование подобного объекта не нарушало законов атомной физики, более того, он был предсказан Резерфордом ещё в 1920 г. Действительно, если ядро атома гелия, например, имеет массу, равную четырём массам протона, а заряд, равный двум зарядам протона, следовательно, в ядре должно существовать ещё нечто, тяжёлое и нейтральное. Но это нечто можно было собрать из существующих на то время деталей конструктора. Резерфорд выдвинул на эту роль гипотетический особо тесный комплекс протон+электрон. И это было совершенно естественно – раз в процессе β-распада из ядра вылетают электроны, значит их там должно быть много. Правда, уже в 1932 г. Д.Д. Иваненко и Э. Майорана независимо друг от друга предложили модель ядра, состоящую из протонов и нейтронов. Только два года спустя Чэдвик пришёл к выводу, что открытый им объект – новая элементарная частица. Признать это было психологически сложно – физики не хотели новых частиц, не хотели перестраивать с таким трудом созданную теорию атома, казавшегося таким простым и прекрасным. Помимо нейтрона, к началу 30-х годов были ещё две гипотетических частицы, получивших впоследствии названия "нейтрино" и "позитрон". Нейтрино придумал Паули для объяснения непонятных явлений при β-распаде радиоактивных веществ. Почему скорости электронов, вылетающих из одинаковых атомов, разные? Паули предположил, что при β-распаде атом испускает две частицы и суммарная их энергия постоянна, а между частицами она делится достаточно произвольно. Вторая частица электрически нейтральна, поэтому она не регистрируется обычными приборами и не вступает во взаимодействие с атомами. Он считал, что если данная частица существует, то при его жизни её не обнаружат – необходим феноменальный прогресс экспериментальной техники для регистрации нейтрино. В оценке скорости прогресса он ошибся и на три года пережил срок экспериментального доказательства существования нейтрино. Положительно заряженный электрон можно было получить из уравнений Дирака, однако мало кто думал, что это решение имеет какой-либо физический смысл.

Теория сильного взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие

Цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. Сильное взаимодействие действует в масштабах атомных ядер и меньше, отвечая за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах. В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны, а также составленные из них элементарные частицы, называемые адронами. В 1934 г. Хидэки Юкава предложил гипотезу сильного взаимодействия. Если протоны в ядре атома, испытывая мощнейшее электрическое отталкивание, не разлетаются, то значит, их удерживают более мощные силы, чем электромагнитные. Юкава вводит новое поле, в котором силы действуют на очень коротком расстоянии. Он рассчитал, что чем массивней квант поля, тем короче расстояние, на которое оно распространяется. Так как кванты электромагнитного поля – фотоны – не имеют массы, электромагнитные воздействия распространяются на бесконечные расстояния. Короткодействующее "сильное" поле Юкавы тоже квантуется, и масса кванта должна быть меньше массы протона, но больше массы электрона. Гипотетическая частица Юкавы получила название мезон (мезо- греч. – средне- промежуточной).Частица, похожая на мезон Юкавы, была обнаружена при исследовании в космических лучей, в 1937 г., но позже оказалось, что это не квант сильного поля.

Это была первая частица, существование которой не было предсказано никакой теорией и даже не могло быть объяснено никакой теорией. "Правильный" мезон Юкавы (точнее один из трёх мезонов, квантов сильного поля с разными электрическими зарядами) был обнаружен в 1947 г. В дальнейшем он был назван π-мезоном, сокращённо – пионом, а "лжемезон" - μ-мезоном (мюоном). После него были открыты более сотни "ненужных" частиц. Сильн.взаим-я в высокоэнергетич. Реакциях: Имеется целый ряд высокоэнергетических процессов столкновения адронов, в которых отсутствует жёсткий масштаб, из-за чего вычисления по теории возмущений в рамках КХД перестают быть надёжными. Среди таких реакций — полные сечения столкновения адронов, упругое рассеяние адронов на небольшие углы, дифракционные процессы.

С точки зрения кинематики, в таких реакциях достаточно большой является только полная энергия сталкивающихся частиц в их системе покоя, но не переданный импульс. Начиная с 1960-х годов, основные свойства таких реакций успешно описываются феноменологическим подходом, основанным на теории Редже. В рамках этой теории, высокоэнергетическое рассеяние адронов происходит за счёт обмена некоторыми составными объектами — реджеонами. Наиболее важным реджеоном в этой теории является померен — единственный реджеон, вклад которого в сечение рассеяния не уменьшается с энергией. В 1970-х годах оказалось, что многие свойства реджеонов можно вывести и из квантовой хромодинамики.

Текущее состояние в теории сильных взаимодействий: КХД — общепринятая теория сильных взаимодействий.

Во-первых, в тех областях, где её численные предсказания надёжны, они хорошо согласуются с опытом.

Во-вторых, в ней на смену сотням «элементарных» кирпичиков материи (адронов) с запутанными «правилами игры» приходят 6 кварков с единственным дополнительным квантовым числом. Все свойства унитарной симметрии адронов, все правила «адронной химии» автоматически следуют из взаимодействия кварков.

В-третьих, КХД построена в согласии с общими требованиями квантовой теории поля, в частности, она перенормируема. Поскольку сильные взаимодействия в КХД описываются на основе калибровочного подхода, есть надежда на то, что удастся объединить сильное взаимодействие с электрослабым.

Классификация ЭЧ

К настоящему времени число зарегистрированных частиц и античастиц приближается к четырём сотням. Существует две относительно смежные классификации элементарных частиц. Во-первых, это деление частиц на фермионы (частицы вещества) и бозоны (кванты полей). Выше уже упоминалось, что фермионы подчиняются запрету Паули и имеют дробный спин, в то время как на бозоны запрет Паули не распространяется, и они имеют целочисленные спины.Другая система частиц – деление их на лёгкие (лептоны) и тяжёлые (адроны). Тяжёлые частицы способны к сильному взаимодействию (т.е. их притягивает сильное "ядерное" поле), а легкие частицы – нет. Впоследствии оказалось, что лептоны - истинные элементарные частицы, которые не имеют внутренней структуры, в то время как адроны состоят из более мелких частиц - кварков.Тяжёлые лептоны способны распадаться с образованием стабильных лептонов - электрона и нейтрино. Также стабильными являются протоны и нейтроны (последние являются "вечными частицами", пока они заточены в ядрах атомов; свободные нейтроны подвержены самопроизвольному распаду). Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (от латинского нуклеус - ядро). Со времен Ньютона и Лейбница под понятием "элементарная частица" подразумевался бесструктурный точечный объект. По мере накопления знаний о природе материи на протяжении только последних ста лет элементарными частицами считали сначала атомы, потом ядра, адроны. К 60-м годам нашего века число элементарных частиц достигло сотни. Возникли сомнения в их "элементарности". Казалось, что природа не может быть столь расточительной. Все разнообразие этих частиц попытались объяснить наличием меньшего количества унифицированных элементарных объектов. На современном уровне знаний элементарными считают 12 частиц и 12 античастиц или, как говорят, ароматов, а также 12 переносчиков взаимодействий. Все элементарные частицы - фермионы (их спин s=1/2ħ), а все переносчики взаимодействия – бозоны (s=1ħ). В свободном состоянии наблюдается только 6 (из 12) элементарных частиц. Это - лептоны: электрон e- , мюон μ- , таон τ- , нейтрино электронное νe, нейтрино мюонное νμ, и нейтрино таонное ντ. Антинейтрино и положительно заряженные лептоны считаются античастицами. Лептоны - слабо взаимодействующие частицы. Остальные 6 элементарных частиц - кварки - существуют только в связанном состоянии. Это относится и к 6 антикваркам. Кварки и антикварки - частицы, обладающие сильным взаимодействием.

Кварковая теория

Решительно упростить систему элементарных частиц удалось М. Гелл-Ману. В середине 60-х годов он выдвинул гипотезу, согласно которой адроны являются комбинацией более лёгких частиц – кварков, причём мезоны образованы парой кварк-антикварк, а барионы – тремя кварками. Кварки обладают дробным электрическим зарядом: +2/3 или -1/3 заряда протона (соответственно, антикварки – -2/3 и +1/3) и спином 1/2. К 80 годам "просвечивание" барионов потоками электронов или нейтрино подтвердило структурную неоднородность протонов и нейтронов – они рассеивали падающие частицы так, как будто состояли из трёх отдельных мишеней. Хотя получить отдельные кварки не удалось и к настоящему времени, никто уже не сомневается в их существовании и справедливости Стандартной модели – так называется кварковая теория вещества. Наш мир состоит из двух кварков – "верхнего" и "нижнего" - и двух лептонов – электрона и электронного нейтрино. В столкновениях ускоренных частиц высоких энергий рождаются два новых кварка – "странный" и "очарованный" и два лептона – имеющий электрический заряд мюон и мюонное нейтрино. При самых высоких энергиях сталкивающихся частиц, которые можно получить на современных ускорителях, появляются "истинный" и "красивый" (другой вариант названия t- и b-кварков – "вершинный" - top и "придонный" - bottom) кварки, заряженный тау-лептон и таонное нейтрино. Шесть разных состояний кварков называют ароматами. Кварки участвуют в особом типе сильного взаимодействия, которое создаётся не двумя, а тремя разными зарядами, или, как обычно говорят, кварки могут иметь один из трёх цветов. Цвет кварка никак не связан с ароматом - любой из кварков может иметь любой цвет.

Три разных цвета порождают поле, которое связывает кварки так тесно, что отделить один кварк от двух других невозможно. Тройка кварков разных цветов и есть адрон. Теперь понятен метафорический смысл слова "цвет" - человеческий глаз имеет три типа колбочек, различающих три цвета. Три одинаковых по интенсивности цвета создают белый цвет. Часто говорят, что адроны существуют только в белых комбинациях. Но два цвета не могут создать белую комбинацию. Как же образуются мезоны? Антикварки обладают антицветом. Мезон сформирован парой кварк-антикварк, он бесцветен. Стабильных мезонов не бывает, их жизнь не превышает миллионных долей секунды. Перемешивая шесть кварков и антикварков в комбинациях по три и по два и учитывая лептоны, получаем почти весь набор известных элементарных частиц.

Почти – потому что в этой теории появляются глюоны - особые кванты сильного взаимодействия, определяемого тремя зарядами (цветами), связывающего кварки в адроны. Глюоны существуют в девяти модификациях. Возникает вопрос – а что же дальше? Если мы создадим более мощные ускорители, то получим следующую пару кварков и пару лептонов – и так далее, как в сказке Андерсена "Горшок каши"? Не исключён, хотя и маловероятен, ещё один энергетический уровень, "населённый" своими кварками и лептонами, но больше их быть не может.

Слабое взаимодействие и несохранение чётности при слабых взаимодействиях

Слабое взаимодействие Физика признаёт существование четырёх фундаментальных взаимодействий – тяготения (гравитации), электромагнитных сил, сильного и слабого взаимодействий. Что есть слабое взаимодействие? Это сила, которая ничего не притягивает и ничего не отталкивает. Она превращает одну частицу в другую. Если при этом выделяется энергия, то она должна выразиться в каком-то действии на другие частицы. В данном случае она тратится на порождение новых частиц, которые разлетаются с большой скоростью. История слабого взаимодействия начинается в 30-е годы, когда Э. Ферми разрабатывал теорию β-распада. Одиночный нейтрон, "вылущенный" из ядра, в среднем за 13,5 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино. Нейтрон, заключённый в ядре, не распадается. Для того, чтобы объяснить это явление, приходится вводить особую силу – гравитация, электричество и сильное взаимодействие тут не при чём. Есть процессы распада частиц, определяемых сильным взаимодействием, но они протекают за 10-23 сек; распады, обусловленные электромагнитным действием, протекают в тысячу раз медленнее. Чудовищная длительность квантовых процессов - от миллионных долей секунды и более - подразумевает наличие очень слабых сил, отсюда и название. Слабое поле действует на расстояниях гораздо меньших, чем сильное. Характерной особенностью слабых процессов будем считать распад частицы на три компонента, а не на два. Сейчас мы знаем, что сначала частица распадается на две, одна из которых является квантом слабого поля, а потом этот квант распадается ещё на две. Некоторые частицы способны участвовать в сильном взаимодействии, некоторые – в электромагнитном; слабое взаимодействие, возможно, характерно для всех известных на сей момент фермионов. Оно может менять ароматы кварков, превращая, например, u-кварк в d-кварк и наоборот, или аналоги ароматов у лептонов, делая из электрона нейтрино и наоборот. Несохранение чётности в слабых взаимодействиях Интуитивно понятно, что физические законы справа от наблюдателя должны выполнятся в точности так же, как и слева. В физическом мире царит симметрия. Так же очевидно, что все физические процессы, связанные с положительными электрическими зарядами, должны быть аналогичны процессам, связанным с зарядами отрицательными, т. е., если всюду поменять плюс на минус и наоборот, наш мир не должен измениться. Для любой частицы известна античастица (для нейтральных, например, нейтрона и нейтрино – тоже). Самое загадочное и интригующее свойство слабых взаимодействий – то, что для частиц связанные с ним процессы протекают чуть-чуть иначе, чем для античастиц. Например, нейтральная частица К0L может распадаться с образованием либо электрона, либо позитрона по схемам К0L → е+ + π- + νе и К0L → е- + π+ + νе, однако первый процесс протекает почти в одну и семь тысячных раз чаще, чем второй. Симметрия нарушена совсем незначительно, но вполне достоверно. Следует подчеркнуть, что симметрия (назовём чётностью некоторые типы симетрий), нарушается только в процессах слабого взаимодействия – может быть, всех. Считается, что подобного лёгкого нарушения оказалось достаточно. В начале мира, в первые секунды после Большого взрыва, превращения, связанные со слабой силой привели к тому, что частиц стало на несколько миллионных больше, чем античастиц.

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 β-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 α-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 β-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 β-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 β-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+ + ν 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 (ΔS=ΔQ/T, где ΔQ – 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: ΔS ≥ 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.

Кембрийский парадокс и жизнь в палеозое

Вдруг ленивый шаг биологической эволюции сменяется на бешеный галоп. Это происходит в следующую геологическую эру - палеозойскую. Здесь наблюдается так называемый кембрийский взрыв. 570 млн. лет назад, сразу, с четверга на пятницу, со свистом и грохотом, животные начали строить панцири, раковины, зубы, хитиновый наружный скелет – всё то, что сохраняется, где углерод медленно заменяется кремнием, и создаёт окаменелости. Прежнюю убогую картину с маловыразительными сульфатами, строматолитами и самородной серой, ржавыми слепками бактериальной клетки сменяют отпечатки целых животных – членистоногих, моллюсков, губок, кораллов, иглокожих.

Кембрий – первый период палеозойской эры. Когда биолог говорит слово «докембрийский», он подразумевает при этом пустоту и неизвестность. Есть ещё два термина – криптозой - эра скрытой жизни, то же, что и докембрий, и фанерозой – эра явной жизни. Кембрийский парадокс содержит две загадки. Первая – почему это произошло? И почему именно 570 млн. лет назад? Вторая – где предковые формы? В кембрии присутствуют основные типы животных, но откуда они взялись? Биологи любят рисовать филогенетические деревья, отражающие историю животных. Если взять такое дерево, отрезать нижнюю половину, останется то, что содержит фанерозой. Вот вершки, но где корешки? Во второй половине ХХ века была открыта докембрийская фауна, которую называют эдиакарской или вендской. Она представлена желетелыми организмами, совершенно непохожими на всё то, что есть в кембрийских отложениях. Появляется третья загадка – наряду с вершками без корешков появились корешки без вершков, кембрийские вершки и вендские корешки несовместимы… Чем питались животные кембрия? Большинство из них были фильтраторами, т. е. отцеживали микроскопический планктон. Это губки и археоциаты, некоторые кишечнополостные, внешне похожие на двустворчатых моллюсков брахиоподы (плеченогие), многие кольчатые черви и раки, а также первые представители хордовых. Нынешние коралловые полипы живут за счёт симбитических одноклеточных водорослей, обитающих в тканях полипов. Вероятно, так же было и в кембрии. Мелкие водоросли, постоянно поселяющиеся на твёрдом субстрате - безусловно, существовали и в кембрии. Ими питаются соскребатели - улитки из класса брюхоногох, первые представители которых тоже известны из кембрия. Имевшиеся тогда крупные многоклеточные водоросли - красные и зелёные - имеют сравнительно близких ныне живущих родственников, которых и сейчас мало кто способен съесть. Их мёртвые тела покрываются шубой бактерий и становятся достаточно привлекательной пищей для детритофагов (мертвоедов). Эти звенья пищевой цепи - самые многочисленные и разнообразные - занимали трилобиты. И, наконец, появляются хищники - крупные членистоногие, родственные им аналомокарисы и головоногие моллюски. Следующий период палеозоя – ордовикский – характерен увеличением разнообразия жизни. Количество ископаемых видов и родов увеличивается на порядок. Появились бурые водоросли – те самые, которые создают подводные леса в прибрежной части современных морей, известные потребителю в виде морской капусты. От трилобитов отщепляется веточка, развившаяся в подтип хелицеровые (ныне полнее всего представленная паукообразными). Их наиболее древние представители - ордовикские ракоскорпионы - мало отличаются от современных скорпионов. Они первыми вышли на сушу. В кембрийские и ордовикские времена жизнь существовала в основном в море, высшие формы жизни – исключительно в море. Следующий период – силурийский – характеризуется выходом на сушу многоклеточных растений и животных - прежде всего паукообразных и многоножек. Покинуть водную среду они смогли только после накопления в атмосфере достаточного количества кислорода, и, как следствие, появления озонового экрана, защитившего поверхность планеты от «кварцевания» жёстким ультрафиолетом солнечного излучения. Сколько-нибудь знакомых нам сосудистых растений нет. В прибрежной зоне, в местах с высокой влажностью селятся псилофиты (правильнее - риниофиты) - сосудистые растения без листьев и корней, ползучий стебель, от которого вверх на несколько десятков сантиметров поднимаются редко ветвящиеся зелёные палочки. Их отдалённые потомки дожили до наших дней (3 вида). Собственно рыб нет («панцирные рыбы» силура – не рыбы, а нечто чуть повыше ланцетника) животных ещё нет, континенты заселены паукообразными, насекомыми, многоножками. В следующем, девонском периоде в океане появляются рыбы – хрящевые и костные, а в самом конце девона примитивные костные выходят на сушу и превращаются в земноводных. Природа изобретает листья - источник питания для новых животных. Листья легче всего разрушаются с образованием гумуса (перегноя). Так растения превращают грунт в почву и в этом им помогают беспозвоночные. Под слоем листового опада благоденствуют новые формы членистоногих. Помимо почвенных клещей - представителей класса паукообразные - возникают неведомо от кого произошедшие трахейнодышащие: несколько классов многоножек и первый класс насекомых - скрыточелюстные. Все они - почвенные животные, питающиеся мёртвой растительностью, детритофаги или хищники, пожирающие детритофагов.

На суше появляются леса. Листья дают тень. Чтобы избежать затенения, нужно подняться выше конкурентов.

Четыре новых отдела (= типа) истинных сосудистых растений появились в девоне - плауны, хвощи, папоротники и голосеменные - и каждая новая ветвь дала древовидные формы.

Каменноугольный период (карбон). Леса были не только папаротниковыми, но также хвощевыми и плауновыми, а кроме того, семенные папортники в карбоне дали начало другим классам голосеменных - дожившим до нас хвойным, гинкговым и саговниковым (цикадопситам). Старые стволы падали в болото и там превращались в уголь. Появляются первые крылатые насекомые. В течение каменноугольного периода возникают, вероятно, все основные отряды насекомых. И вдруг вода в этом мире исчезает. Заканчивается тектонический период с одной конвективной ячейкой. Материки сползаются в один суперконтинент – Пангею, на котором воцаряется суперконтинентальный климат.

Начало этого процесса положено в следующий и последний период палеозоя – пермский. Будущие хозяева суши – пресмыкающиеся и голосеменные - быстро развиваются. Самые примитивные представители рептилий появляются в позднем карбоне, в перми пресмыкающиеся достигают значительного разнообразия. Появляется новый класс голосеменных - беннетитовые, от которых произошли современные хвойниковые (гентовые).

Мезозой

Окончательно Пангея оформляется к рубежу новой геологической эры – мезозойской, начавшейся около 235 млн. лет назад. Та делится на три периода – триасовый, юрский и меловой. В мезозое происходит распад Пангеи на два суперматерика – северную Лаврвзию и южную Гондвану. В ходе дальнейших тектонических процессов Гондвана раскалывается на Южную Америку, Африку, Антарктиду и Австралию, а также более мелкие обломки. Лавразия распадётся на два материка – Евразию и Северную Америку. К концу мезозоя основные современные материковые плиты были полностью разделены. В среднем мезозое почти на всей суше господствует теплый влажный климат. В массовом сознании это «эра динозавров». Отчасти так оно и есть. Важнейшие отряды насекомых - бабочки, двукрылые (мухи и комары), перепончатокрылые (муравьи, пчёлы, осы) – тоже уроженцы мезозоя (точнее, первые достоверные находки их останков датируются мезозоем). Появляются новые классы и типы водорослей, которые в настоящее время являются основными продуцентами Мирового океана – как у берегов (бурые водорсли), так и в толще воды. Одноклеточные диатомовые водоросли заключены в двустворчатый кремнезёмный панцирь. Другие одноклеточные водоросли – кокколитофориды, достигшие в позднем мезозое величайшего расцвета, имеют панцирь, состоящий из известковых чешуек. С того времени и по сей час на дне океана формируются толщи кремнезёмных осадков и толщи карбонатных осадков. Первый период мезозоя – триасовый. Грандиозная засуха пермотриаса – 20 млн. лет засухи – приводит к грандиозному вымиранию пышной фауны и флоры позднего палеозоя. Раннемезозойские пейзажи обычно изображаются бурой каменистой пустыней. Масштабы вымирания не повторились никогда. Но вот что удивительно - исчезли не только влаголюбивые амфибии, но и огромное количество морских таксонов. В позднем палеозое, вероятно, под влиянием развития подвижных хищников - рыб и головоногих моллюсков - начинается растянутое во времени вымирание слабозащищённых малоподвижных беспозвоночных. Опустевшую сушу постепенно колонизируют существа сухого мира - голосеменные растения (в том числе и хвойные, достигшие в эту эпоху значительного разнообразия), пресмыкающиеся и первые млекопитающие. Прогресс пресмыкающихся связан с решением двух физиологических задач – становлением настоящего лёгочного дыхания и возникновением амниоти-ческого яйца. Чтобы грудная клетка совершала дыхательные движения, необходимы, во- первых, подвижные рёбра, посредством суставов прикрепляющиеся к позвонкам; во-вторых – специализированные мышцы, поднимающие и опускающие рёбра и в-третьих – нервный центр в продолговатом мозгу, который регулирует частоту дыхательных движений. Весь этот комплекс появляется только у пресмыкающихся, что позволяет им иметь сухие, не теряющие влагу покровы. Амниотическое яйцо – это яйцо, в котором развиваются внезародышевые оболочки – амнион. Представьте себе головастика, заключённого в пузырёк с жидкостью. Стенки пузырька и есть амнион, выделяющий амниотическую жидкость. Когда «головастик» разовьётся и покинет яйцо, внезародышевые оболочки отмирают. Потомки рептилий - млекопитающие и птицы - сохранили амниотическое яйцо. Млекопитающие старше птиц на 70 млн. лет. Они очень рано отделились от рептилий – ещё в триасе, поэтому несут на себе следы недоделок. В частности, у них сохранились кожные железы – сальные, потовые, млечные. Динозавры появляются в следующем, юрском периоде. Именно в юре происходят самые крупные тектонические процессы мезозоя – наиболее интенсивный раскол континентальных плит, формирование водоёмов. На суше господствуют голосеменные, образующие беннетитово-цикадофитовые леса в тропиках, гинкговые и кордаитово-хвойные - в умеренной зоне. В это время на суше возникают самые гигантские формы животных, и это исключительно рептилии. Млекопитающие мезозоя – мелкие и редкие крысовидные существа. Меловой период, как упоминалось выше – это время растительной революции, полной смены ведущих групп продуцентов как на море, так и на суше и перевода в подводные известняки огромного количества атмосферной углекислоты. Завершается раскол Гондваны и Лавразии, формирования Атлантического и Индийского океанов. Меловой период для геолога – это действительно время отложения мощных меловых толщ, до сотни и более метров.

Мел состоит из останков одноклеточных водорослей кокколитофорид, точнее – их панцирей, состоящих из известковых чешуек - кокколитов. Кокколитофориды, расцвет которых пришёлся на поздний мезозой, связали и отложили на морском дне огромное количество углекислоты, изъятой в конечном счёте из атмосферы. Это привело к некоторому понижению средней температуры земной атмосферы, и, безусловно, снизило продуктивность сухопутных растений (меньше углекислого газа – пропорционально меньше скорость фотосинтеза).Ещё одна особенность мелового периода – становление покрытосеменных (цветковых) растений. Появились они в раннем мелу, вероятно на территории нынешней Юго-Восточной Азии. Это были невысокие деревья или кустарники. Как ни странно, древнейшая ныне живущая ветвь покрытосеменных растений - это порядок нимфейные (с близкими к нему лотосовыми и раффлезиевыми), пресноводные растения с плавающими листьями, "водяные лилии".

В среднем мелу, вероятнее всего, после разрушения некоего изолирующего барьера, в течение нескольких миллионов лет они распространились практически всесветно и дали мощную вспышку формообразования, а в позднем мелу стали господствующей группой наземных растений, сформировав целостные сообщества, состоящие из многих ярусов.

В это время растительность приобрела вид, близкий к современному - существовали платаны, дубы, лавры, появляются первые травянистые растения – лютиковые, однодольные.

Астероидная гипотеза вымирания мезозойской фауны. Кайнозой

Самым наглядным проявлением новой эпохи является полное вымирание крупных рептилий нескольких отрядов около 60 млн. лет тому назад. Вместе с ними исчезли господствующие отряды головоногих моллюсков. Современная наука не может указать причину полного вымирания столь массовой и разнообразной группы за очень короткий срок. Существуют десятки гипотез их вымирания. Одна из самых известных гипотез – метеоритная. Отец и сын Альварес (США) обратили внимание на иридиевую аномалию. Иридий – очень редкий металл платиновой группы. Существует, однако, очень тонкий слой осадочных пород, обогащённых иридием, причём этот феномен распространён всесветно. Их возраст оценивается приблизительно в 60 млн. лет. В железных метеоритах иридия сравнительно много. Альваресы предположили, что на Землю в это время упал крупный метеорит или мелкий астероид, который от удара полностью испарился. Смешавшись с атмосферными газами, мелкие частички иридия медленно и равномерно выпадали на поверхность Земли, формируя иридиевую аномалию. В месте удара сформировалась огромная яма, которая превратилась в современный Мексиканский залив – это действительно засыпанный осадками кратер ударного происхождения. Более того, поскольку метеорит врезался в Землю не «в лоб», а по касательной, двигаясь с юга, крупные обломки и осколки должны были лететь на север. Некоторые из них вроде бы найдены. Таким образом, за последние 40 лет «метеоритная гипотеза» получила серьёзные доказательства. Можно ожидать, что в результате подобной катастрофы в атмосферу было выброшено такое количество пыли, что средняя температура атмосферы на год или годы снизилась на десяток градусов. Предполагается, что именно это и погубило динозавров (почему-то именно их, но не черепах, крокодилов, гаттерий и прочих рептилий). Однако палеонтологи категорически против такой трактовки – меловая фауна вымерла не мгновенно, её угасание было растянуто на несколько миллионов лет. Вероятно, падение метеорита было одним из факторов, ускорившим процесс, но не единственным и вряд ли ведущим. Кайнозой раньше дробился на два периода - третичный и четвертичный, последний начинается около миллиона лет назад. Тёплый третичный период делился на палеогеновую (отделы: палеоцен, эоцен, олигоцен) и неогеновую (отделы: миоцен, плиоцен) системы. Четвертичный период (отделы: плейстоцен, голоцен) и есть то, что в просторечии называют ледниковый период.

Палеогеновая система (период). На суше наблюдается бурное формообразование млекопитающих. В начале палеогена на всей планете тепло и сыро, даже в высоких широтах растут вечнозелёные леса. Обратим внимание на этот факт - лес, "сырой лес", не любит гигантов. Близкие виды и подвиды животных представлены более мелкими лесными формами, чем те, что живут на открытых ландшафтах саванн и степей. Млекопитающие раннего палеозоя в среднем были не крупнее собаки. Континенты продолжают дрейфовать, Атлантический океан расширяется. Общий рельеф сглаживается, море наступает, суша сокращается – происходит то, что называется обширной трансгрессией океана. Палеогеновая трансгрессия была одной из самых крупных за всю историю Земли.

Неогеновая система (период) характерна мощными горообразовательными процессами. В позднем палеогене и в течение большей части неогена происходит некоторое иссушение климата и на огромных пространствах леса заменяются новым типом растительного сообщества – степями и саваннами. Появляются новые формы растений, прежде всего травянистых и животных, обитающих в степях, – копытных, хоботных, мозоленогих, страусов. В этом мире опять появляются гиганты. Крупнейшее сухопутное млекопитающее индрикотерий имело высоту в холке до 5 м. и весило около 15 т. В саванне и лесосаванне формируются люди. Медленное похолодание климата наблюдается в течение всего неогена. 20 млн.лет назад образовались первые ледники Антарктиды. Но около 5 млн. лет темпы похолодания убыстряются.

Гомо хабилис и Гомо эректус

Первые представители рода Люди (Хомо) появляются около 2,5 млн.лет назад. Будем считать, что человек в узком, родовом смысле этого слова – существо, способное интеллектуально и физически создавать орудия труда, его мозг и рука достаточно развиты для выполнения этой задачи. Первый мастер, Хомо хабилис – "человек умелый" имел объём мозговой коробки около 650 см3, около 160 см. роста. Первые человеческие орудия – это галька, оббитая с одной стороны. Галечниковая индустрия называется ещё олдовайской. Хорошо сохранившиеся останки человека умелого первоначально были найдены там же, где жили австралопитеки, на территории нынешних Кении и Танзании, однако существуют свидетельства их обитания значительно севернее и западнее, возле озера Чад. Австралопитеки вымирают около миллиона лет назад. К этому времени появляется ещё один представитель рода Хомо – Хомо эректус, человек выпрямленный, прежде называвшийся питекантропом. Появляется первая загадка – где? Всё, что мы знаем о его предке, указывает на Восточную Африку. Однако самые древние находки эректусов – их возраст 1,8 млн. лет – сделаны как в Африке, так и в Пакистане. В 1997 г. в Пакистане же были найдены галечниковые орудия с возрастом, превышающим 2 млн. лет. Возможно ли, что Хомо хабилис расселился до этих пределов? Костные останки изготовителей древейших азиатских орудий не найдены.

Первая загадка антропогенеза В Азии встречаются каменные орудия - более десяти находок - возраст которых превышает возраст девнейших останков Гомо эректус. Кто их изготовил?Мигрировал ли Гомо хабилис в Азию? Эректус уже бесспорный путешественник. Он расселился по всей тропической Африке и Азии, от Ближнего Востока до Китая. Отдельные находки часто получали названия по месту их обнаружениея - явантроп (человек с о. Ява), синантроп (китайский человек). Чтобы описать их морфологию, достаточно уловить общую тенденцию. Люди – в пределах семейства – в ходе эволюции становятся крупней и выше. Средний рост питекантропа около 170 см. Объём мозговой коробки черепа увеличивается, за полтора миллиона лет своего существования объём мозга эректусов вырос с 800 до 1100 см3. Сам по себе объём мозга не так уж много значит. Важнее уже развитие его специфических отделов, в частности, лобных, которые управляют социальным поведением и речевых. Лоб питекантропа ещё сильно скошен, лобные доли малы. Речевые центры у современного человека расположены в левой височной доле (зона Брока и зона Вернике). О степени их развития можно судить по слепкам внутренней части височной кости. В процессе эволюции эректусов соответствующие отделы височной доли растут. Увеличивается подбородочный выступ. "Обезьянья челюсть", челюсть без подбородка, свидетельствует о неразвитой речи. Подбородочный выступ – место прикрепления мышц, управляющих языком, толстым, крупным человеческим языком (сравните его с плоским языком собаки или кошки). У эректуса подбородочного выступа ещё нет, но внутренний объём нижней челюсти увеличен. Общей эволюционной тенденцией является "разоружение" черепа – его кости становятся менее толстыми, сглаживается костный гребень на темени (вспомните аналогичный гребень на шлёмах римских легионеров), уменьшаются размеры надглазничных выступов. Другой тенденцией является уменьшение клыков и жевательной поверхности коренных зубов. Однако уменьшение клыков должно компенсироваться развитием иного оружия. 1,5 млн. лет назад в Африке появляется новая технология обработки камня – ашельская. Грубо говоря, это отбивание от каменного ядрища тонких пластин. Олдовайские галечниковые орудия невелики, обычно не более 10 см. Ашельская технология позволяет работать с иным сырьём - более крупными камнями, вести их двустороннюю обработку и создавать не только скребки, но и массивные рубила. Новая каменная индустрия даёт возможность изготовлять орудия для обработки дерева, заострять палки и получать копья и палки-копалки. И, наконец, около 800 000 тыс. лет назад человек начинает пользоваться огнём.

Кроманьонец и неандерталец

В 70-е годы никто не мог сказать, когда и где возникли кроманьонцы. 40 тысяч лет тому назад их стоянки появились на Ближнем Востоке. В течение нескольких тысяч лет одна ветвь кроманьонцев расселилась по всей Европе, другая – по большей части Азии и вышла в Австралию. Размер мозга кроманьонцев около 1400 см3. У кроманьонцев лучше развиты лобные доли. Именно этот отдел мозга управляет социальным поведением человека. У кроманьонцев в физиологическом субстрате – лобных долях - были надёжней закреплены более совершенные и более альтруис-тические формы взаимодействия внутри родо-племенных социальных группировок, способность к дисциплине, самоограничению и самопожертво-ванию, то, что позднее назовут честью, совестью, доблестью. Европейские кроманьонцы ледникового периода значительно отличались от современных людей. Они были значительно крупнее – широкоплечие, со сравнительно узким тазом, высокие – свыше 180 см. роста, с несколько большим объёмом черепа – более 1400 см3. Согласно современным данным – пока ещё достаточно спорным – они существовали более 100 тыс. лет назад в Северной Африке. Долгое время численность кроманьонцев была низкой. Согласно некоторым расчётам, им пришлось оказаться на грани полного вымирания (у эволюционистов это называется "пройти сквозь бутылочное горлышко"). Численность кроманьонцев тогда не превышала 10 тысяч человек. С прохождением через бутылочное горлышко связан феномен "митохондриальной Евы". ???Геном митохондрий более изменчив, чем геном ядра, и, поскольку он мал и исследовать его довольно легко, он изучен у многих человеческих популяций. Оказалось, что геном человеческих митохондрий так беден заменами, что "молекулярные часы" показывают время его возникновения всего 200 тыс. лет. Поскольку митохондрии животных наследуются только по материнской линии (в сперматозоидах их нет), постольку родилась идея "митохондриальной Евы" - всё человечество суть потомки одной единственной женщины, жившей 200 тыс. лет тому назад. Разумеется, это не более чем математический фокус, но довольно показательный – наш вид или подвид исключительно молод. Шаткость нынешних представлений о раннем, "доближневосточном" периоде истории кроманьонцев заключается в том, что они в основном покоятся на гипотезах сравнительной генетики. Для их подтверждения нужны надёжно датированные костные останки и предметы материальной культуры. Пока нет костных останков кроманьонцев старше 100 тыс. лет. Та же генетика отрицает происхождение кроманьонцев от неандертальцев. Анализ ДНК, извлечённой из костных остатков неандертальцев, показал её большие различия с геномом современного человека. Получается, что эти линии разошлись около 500 тыс. лет назад.

Вторая загадка антропогенеза Когда появился и от кого произошёл человек современного типа? Костные остатки переходной формы пока не найдены. Генетические данные противоречивы: неандертальский и кроманьонский стволы разделились 300 лет назад, кроманьонцы возникли 200 тыс. лет назад. Итак, кроманьонцы после 70 (?) тыс. лет прозябания в Африке вышли на иные континенты и взрывообразно расширяют область своего обитания. Пока они ещё носители мустьерской культуры, но вскоре появляются каменные орудия ориньякской культуры – более сложные. Около 20 тыс. лет человек вооружился луком и стрелами.Позже появляется культура мезолита, для которой характерно использование многочисленных мелких отщепов камня - микролитов. Люди ориньякской культуры рисовали на сте-нах пещер, вырезали из камня и кости фигурки людей и животных, рас-крашивали своё тело и украшали одежду.

Неолитическая революция

Неолити́ческая револю́ция — переход человеческих общин от примитивной экономики охотников и собирателей к сельскому хозяйству, основанному на земледелии и/или животноводстве. По данным археологии, одомашнивание животных и растений происходило в разное время независимо в 7 — 8 регионах. Самым ранним центром неолитической революции считается Ближний восток, где одомашнивание началось не позднее, чем 10 тыс. лет назад. В центральных областях Мир-Системы превращение или замещение охотничье-собирательских обществ аграрными датируется широким временным диапазоном от Х до III тысячелетия до н. э., в большинстве периферийных областей переход к производящему хозяйству завершился значительно позднее. Понятие «неолитическая революция» было впервые предложено Гордоном Чайлдом в середине ХХ века. Кроме появления производящего хозяйства оно включает в себя ряд последствий, важных для всего образа жизни человека эпохи неолита. Маленькие мобильные группы охотников и собирателей, господствовавшие в предшествующей эпохе мезолита, осели в городах и поселках возле своих полей, радикально изменяя окружающую среду путем культивирования (в том числе ирригации) и хранения собранного урожая в специально возведенных зданиях и сооружениях. Повышение производительности труда вело к увеличению численности населения, созданию сравнительно больших вооруженных отрядов, охраняющих территорию, разделению труда, оживлению товарообмена, появлению права собственности, централизованной администрации, политических структур, идеологии и новых систем знания, которые позволяли передавать его из поколения в поколение не только устно, но и письменно. Появление письменности — атрибут окончания доисторического периода, который обычно совпадает с окончанием неолита и вообще каменного века.Соотношение технологических характеристик неолита с появлением производящего хозяйства и последовательность этих событий у разных культур остаются предметом обсуждения и, по-видимому, различаются, а не являются только лишь следствием действия неких универсальных законов развития человеческого общества. Первые попытки культивирования некоторых растений были предприняты около 10 тыс. лет назад. В это время в Меланезии начали разводить таро. Но гораздо более успешными и важными по своим последствиям для истории человечества оказались ячмень и пшеница, окультуренные в эту же эпоху в районе плодородного полумесяца на Ближнем Востоке. В эту же эпоху и в этом же регионе — в горах Загроса — были одомашнены козы и овцы. Несколько позже, около 9 тыс. лет назад в юго-восточной Азии был одомашнен рис. Существует несколько конкурирующих (но не взаимоисключающих) теорий о причинах появления земледелия. Наиболее распространенными считаются следующие.

1. Теория «оазисов», приверженцем которой был сам Гордон Чайлд[12]. Она привязывает экономические перемены к изменениям климата в конце ледникового периода, которые сопровождались засухой и миграциями людей и животных в оазисы, где и происходило одомашнивание как животных, так и растений. Эта теория в настоящее время не получает подтверждения, так как ледниковый период закончился раньше и предполагаемые климатические изменения относятся к другой эпохе.

2. Теория «холмистых склонов». Предполагает, что одомашнивание началось на холмистых склонах гор Тавра в Турции и Загроса в Иране, где климат не был засушливым, и сохранилось разнообразие диких животных и растений, среди которых некоторые были одомашнены.

3. «Демографическая теория» была предложена Карлом Зауэром и допускает, что увеличение численности населения было не следствием, а причиной перехода к земледелию, так как для того, чтобы кормить больше детей, местных ресурсов диких растений не хватало, и тогда их стали культивировать.