Структура организации материи

МОРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АДМИРАЛА Г. И. НЕВЕЛЬСКОГО 

Кафедра химии и экологии

РЕФЕРАТ

Тема: Структура организации материи

Выполнила

студентка

1-го курса 81-м группы

_____________/Овчарова Д.А./

Дата сдачи:

Принял

доцент кафедры

химии и экологии

__________/Панин Е.С./

Дата приема:

Владивосток

2004

СОДЕРЖАНИЕ

                                                                                                                                    стр.

Введение                                                                                                  3

1. Гипотеза рождения материи                                                            4

2. Структурность и системность материи                                          6

3. Поле и вещество                                                                                8

4. Классификация элементарных частиц                                           9

5. Уровни структурной организации материи применительно к астрономическим масштабам                                                         11

     Заключение                                                                                             19

     Литература                                                                                             20

ВВЕДЕНИЕ

На пороге ХХ в. наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология - к вопросу о происхождении мира и материи.

     Важнейшей задачей современного естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках.

     Материя - это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента. Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями. 

     В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т. д. может быть рассмотрен как система - сложное образование включающее составные части, элементы и связи между ними.

Гипотеза рождения материи.

Синергетика, которая сначала называлась термодинамикой открытых систем, изменила представление о мире. Мы говорили о моделях Вселенной и могли понимать, что Вселенная появилась после того, как некто “нажало на кнопку”. Физика ХХ в. сначала изменило отношение к тому, что считать материей и как она соотносится с пространством и временем, а в конце ХХ в. по-новому взглянула на процесс развития. Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно.

     На пороге ХХI в. наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология - к вопросу о происхождении мира и материи. Кибернетика решает проблему разума, синергетика - проблему рождения материи. Механизм, который ею предлагается, - это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации, экспоненциальный процесс до определенного момента.

Дуализм ньютоновской Вселенной ( с одной стороны, пространство-время, с другой - материя ) сменился эквивалентностью пространства-времени и материи в уравнениях Энштейна. Предлагаемая нами модификация уравнений Энштейна, учитывающая рождение материи, выражает “неэквивалентность” материи и пространства-времени. В нашем варианте уравнения Энштейна устанавливают взаимосвязь не только между пространством-временем и материей, но и энтропией. Вводимый нами космологический механизм приводит к необратимому “разделению фаз” между материей и гравитацией. В первоначальном вакууме они смешаны, в существующей ныне Вселенной мы наблюдаем материю, переносчик гравитации, “плавающей” в пространсве-времени. Фундаментальная двойственность нашей Вселенной представляется нам сегодня результатом первичного всплеска энтропии”[1] Причиной всплеска энтропии может быть распад чего-то высокоорганизованного, что заставляет вспомнить стоиков, Плотина и “Веды”.

     Основным понятием предстает понятие неустойчивости. Если что-то есть, то устойчивость невозможна. Возникает спонтанная флуктуация. Так из хаоса (неустойчивости) рождается космос. При спонтанной флуктуации поля начинается самопроизвольный процесс порождения частиц в плоть до какого-то момента, когда он прекращается. Частицы порождаются энергией по модели, сформулированной в синергетике.

     Первые частицы, которые появились, были нестабильными элементарными частицами без массы покоя и с кротчайшим временем существования. Затем они превратились в стабильные, существующие поныне. Нестабильные частицы И. Пригожин отождествляет с черными мини-дырами, которые распадаются на обычную материю и излучение.

     “Существует некоторая аналогия с переохлажденной жидкостью и порогом перехода в кристаллическое состояние. Мы можем наблюдать в переохлажденной жидкости флуктуации, приводящие к образованию крохотных кристаллов, которые то появляются, то снова растворяются. Но если образуется крупный кристалл, то происходит необратимое событие: кристаллизация всей жидкости... Аналогично, очень малая вероятность критической функции в вакууме Минковского указывает на то, что стрела времени  уже существует в нем в латентной, потенциальной форме, но проявляется, только когда неустойчивость приводит к рождению Вселенной”[2]

    В модели И. Пригожина имеет место производство энтропии, пропорциональное скорости рождения частиц. И преобразование  пространства-времени производит энтропию. Причем сначала возникает пространство-время, а затем оно производит частицы, поскольку процесс производства пространства-времени из материи невозможен. Итак, последовательность рождения материи из вакуума:

Спонтанная флуктация -> Точка бифуркации ->

          Черные мини-дыры -> Пространство-время -> Частицы

    Квантовый вакуум отличается от ничто тем, что имеет универсальные постоянные, которые могут служить аналогом всеединства. Тут вспоминаются и Абсолютная Идея Гегеля, и мир идей, и пустота буддистов. Филосовских аналогов очень много.

    Модель рождения материи Пригожина принажлежит к классу неустойчивых вероятностных систем. Конец рождения материи связан с временем жизни черных мини-дыр. Высшая цель данной игрушечной модели - построение дарвиновской теории элементарных частиц.

    Какая судьба Вселенной, исходя из данной гипотизы Пригожина? “Стандартная модель предсказывает, что в конце концов наша Вселенная  обречена на смерть, либо  в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия (“страшный треск”). Для вселенной, родившейся под знаком неустойчивости из вакуума Минковского, это уже не так. Ничего не мешает нам предположить возможность повторных неустойчивостей”. Размеры Вселенной растут в модели Пригожина по экспоненте как следствие неустойчивости вакуума. В результате расширения Вселенной при нерождении материи Вселенная приближается к первоначальному состоянию вакуума. Потом возможна новая Флуктуация.

     “Энштейновская космология стала венцом достижений классического подхода к познаваемости. В стандартной модели материя задана: она эволюционирует только в соответствии с фазами расширения Вселенной. Но, как мы видели, неустойчивость возникает, стоит нам только учесть проблему рождения материи. Таким образом, особая точка Большого Взрыва заменяется рождением материи и кривизны Пространства-времени. Энштейновское пространство-время, соответствующее искривленной Вселенной, при нашем подходе возникает как следствие необратимых процессов. Стрела времени становится принципиально важным элементом, лежащим в основе самих определений материи и пространства-времени. Однако наша модель не соответствует рождению стрелы времени из “ничего”. Космологическая стрела времени Уже предполагается неустойчивостью квантового вакуума”[3]   

     Наконец, еще один вопрос: можно ли создать единую теорию физики, или, как ее называют еще, “теорию всего”? “Если такая универсальная теория когда-нибудь будет сформулирована, она должна будет включать в себя динамическую неустойчивость и таким образом учитывать нарушение симметрии во времени, необратимость и вероятность. И тогда надежду на построение такой “теории всего”, из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить”. Другими словами, нет знания, которое овладело бы универсальным ключом ко всем без исключения явлениям природы.

Структурность и системность материи.

Важнейшими атрибутами материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д. Это связанно с тем, что человек, являясь микроскопическим существом, привык к соответствующим масштабам, поэтому понятие строения материи ассоциируется, как правило, с микрообъектами. Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира. С этой точки зрения структура материи проявляется в существовании бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой. Из всего многообразия форм объективной реальности (то есть материи), эмпирически доступной для наблюдения является конечная область материального мира, которая простирается от 10^-15 см до 10²⁸ см (около 20 млрд. световых лет), а во времени­­­­ - до 2*10¹⁰  лет. В этих доступных нам масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем: Метагалактика, отдельная галактика, звездная система, планета, отдельные тела, молекулы, атомы, элементарные частицы.

     Наряду со структурностью неотъемлемым свойством материи является ее системность. Система - это внутренне (или внешне) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам  или внешним условиям. Во всех целостных системах связь между элементами является  более устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. В неживой природе множество объектов будет целостной системой только в том случае, если энергия связи между ними больше их суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникнет или распадется. Энергия внутренних связей - это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому из элементов, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, то есть “растащить” систему. Поскольку эта энергия не возникает из ничего, стабильность и целостность систем оказывается косвенно обусловленной действием закона сохранения энергии.

     Внутренняя энергия связи может иметь различное значение в зависимости от характера сил, объединяющих тела в системы. С переходом от космических систем к макроскопическим телам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные, намного более мощные, чем первые. В атомных ядрах действуют еще более мощные ядерные силы. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей возрастает еще больше и оказывается сопоставимой с их собственной энергией.

     Именно на уровне микромира физика ищет сегодня ответы на вопросы, из чего состоит материя? Есть ли конкретный предел делимости материи? - вопросы, издавна волновавшие человечество.

     Долгое время атом считался конечным пределом делимости материи, а так же тем элементарным “кирпичиком” вещества, из которого сложены все предметы и явления нашего мира. Но уже к началу ХХ в. выяснилось, что это не так. Был открыт электрон, а затем другие элементарные частицы, число которых постоянно возрастает и на сегодняшний день превысило 300 разновидностей. У большинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента: для электронов - позитроны, для протона - антипротон, для нейтрона - антинейтрон и т. д. Все другие свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц. Из них могут образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество, подчиняющееся тем же законам движения, что и обычное вещество. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции - превращения частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий.

     Можно констатировать, что современная физика довольно неплохо изучила процессы, протекающие в микромире, систематизировав эти знания и представив их в таких теориях, как квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика. Об основах этих теорий, отражающий современный уровень знаний о строении материи, и необходимо поговорить.

Поле и вещество.

В литературе часто основные формы материи подразделяют на поле и вещество. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограничено. Под веществом имеют в виду различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. Но поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет “занято” полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (примерно 10^-36 – 10^-40 объема), то есть поля входят в структуру вещества. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

     Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно - в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя представлять в виде каких - то микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей, и не существует абсолютно резкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц.

     Характеризуя единство прерывного и непрерывного в структуре материи, следует также упомянуть единство  корпускулярных и волновых свойств всех частиц вещества. Обладая относительной дискретностью, микрообъекты при взаимодействиях и движении могут проявлять волновые свойства, способность к дифракции и интерференции, они характеризуются длиной волны, обратно пропорциональной их массе и скорости a = h/mv   , где h  - постоянная Планка, одна из двух универсальных физических констант (вторая - скорость света в вакууме) Это соотношение устанавливает взаимосвязь корпускулярного  параметра частицы - массы - с волновым параметром  этой же частицы - длиной волны.

     Как поле, так и вещество обладают определенными физическими параметрами. Под полем в физике понимают специфическую форму распределения материи в пространстве и времени: в каждой точке пространства-времени существует определенное числовое значение параметра,   характеризующего эту материю. Например, движущееся поле (волна) описывается длиной волны, фазой, аплитудой и их изменениями во времени и пространстве. Другая ипостась материи - частицы - характеризуются иным набором параметров: спин, заряд, масса покоя, время жизни и ряд квантовых чисел.

     Важнейшей характеристикой частицы служит спин, собственный момент количества движения. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например, волчка. Но буквальный перенос этого понятия на макрочастицу теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными волчками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка.  Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом, у одних частиц он имеет целочисленное значение (0, 1, 2...), а у других - полуцелые значения (1/2, 3/2...).

     Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать данные об элементарных частицах.

Классификация элементарных частиц.

     Исходя из значения спина, все элементарные частицы можно разделить на две группы. Частицы с полуцелым спином называются фермионами ( в честь известного физика Ферми). Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона - частицы с полуцелым спином могут находится вместе лишь при условии, что их физические состояния (то есть вся совокупность характеризующих частиц параметров) не одинаковы.  Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь другого крупного физика - Бозе). На них запрет Паули не распространяется, и они могут находится вместе в любом количестве.

     Такое разделение частиц на две группы имеет далеко идущие последствия. Так, поля фермионов всегда остаются квантованными, и  в классическом пределе они переходят в частицы. Например, мы знаем, что электрон, являющийся фермионом ( его спин равен 1/2), в классическом пределе выступает как истинная частица, хотя и обладает волновыми свойствами. То же относится к протону, нейтрону и всем другим частицам-фермионам. Поля же бозонов в пределе переходят в классические поля. Так, один из представителей бозонных частиц  - фотон ( его спин равен 1) - в пределе становится классическим электромагнитным полем (свет, радиоволны). Существование фермионов и бозонов создает важнейшую предпосылку для проявлений привычного нашего макромира, состоящего из атомного вещества (фермионы)  и излучений (бозоны).

     Зная, что все элементарные частицы являются либо бозонами, либо фермионами, можно попытаться ответить на вопрос об элементарных “кирпичиках” материи, давно волновавший человечество. Сегодня в микромире выделяют четыре уровня вещества: молекулярный, атомный, нуклонный (уровень атомного ядра и составляющих его частиц) и кварковый. Но уже обсуждается возможный облик пятого (суперструнного) уровня. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют иные свойства и иные законы поведения соответствующих частиц. Поиск самых простых частиц вещества привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и в своих проявлениях, она неотделима от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит фону - физическому вакууму. Условно же принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению (они меньше, чем 10^-15  см).

     Известны три класса таких частиц: лептоны, кварки и бозоны. Лептоны и кварки относятся к фермионам.

     Класс лептонов состоит из шести частиц и шести античастиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Особенно велико значение электрона и нейтрино. Но лептоны не учавствуют в образовании ядерных частиц - нуклонов, и в процессах, называемых сильным взаимодействием.

     Класс кварков, как и класс лептонов, содержит шесть частиц и столько же античастиц. Физики назвали каждый тип кварков ароматом. Этот термин, ассоциирующейся с обонянием, на самом деле обозначает квантовое число, приписываемое частицам данного типа. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, принятых в качестве их названия: up, down, strange, charmed, beauty, truth. Кварки - электрически заряженные частицы. Но их  заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, условно принимаемого за 1, и равны 1/3 или 2/3 с плюсом или минусом. Экспериментальные поиски дробного заряда оказались безуспешными, хотя точность измерений была доведена  до исключительно высоких значений. Очевидно, существование в природе дробного электрического заряда возможно при условии, что такие заряды вместе со своими частицами-носителями образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический  заряд равен либо 0, либо ± 1.

     Также не удалось обнаружить ни один кварк в свободном состоянии, хотя эксперименты на ускорителях дают убедительные косвенные доказательства их реального существования в связанном состоянии. Кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, названные адронами. Кварки существуют только в таких составных частицах, вне их в современных условиях они существовать не могут, и это - принципиальное свойство вещества на данном микроуровне.

      Составленные из кварков адроны подразделяются на три группы. Первая - барионы - образуется комбинациями из трех кварков. Эта группа включает протон и нейтрон - фундаментальную основу атомных ядер. Вторую группу образуют частицы, получаемые путём сочетания кварка и антикварка. Они называются мезонами. Ещё одна группа содержит частицы, образуемые сочетаниями трёх антикварков. В неё попадают антипротон, то есть то, что составляет основу антивещества. Выше перечисленные частицы-адроны составляют лишь небольшую часть образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют так называемые резонансы - неустойчивые коротко живущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы.

     При объединении кварков и антикварков в адроны должны выполняться два условия: суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным; кварки соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку безцветности. Это связано с тем, что только кварки проявляют способность к сильному взаимодействию, связанному с цветовыми силами. Адроны таких способностей не имеют в силу своей безцветности (конфаймент).

     Таковы основы современных представлений о строении материи на микроуровне.

 Уровни структурной организации материи применительно к астрономическим масштабам.

     В астрономии всякий даже минимальных размеров объект - астероид, метеорит, микрометеор - индивидуален. Каждый из них является системой имеющей свою историю и непременно как-либо эволюционирующей.

     Среди уровней структурной иерархии материи в астрономии обычно выделяют: планету, звезду, галактику, метагалактику. При рассмотрении объектов Солнечной  системы следует упомянуть об открытиях последних лет, которые принципиально изменили наши представления о планетах и других элементах этой системы. К исследованию ближайших соседей Солнца можно подойти, как к исследованию “статистической выборки”  во Вселенной. На уровне галактик следует  также обратиться исследованиям последних лет. Что же касается метагалактики, то здесь прежде всего, представляет интерес концепция Большого взрыва.

     Солнечная система. Солнечная система представляет собой некоторую область пространства, в которой преобладает притяжение Солнца и размеры которой превышают расстояние от Солнца до Земли в 2*10⁵ раз. Её составные части - Солнце, планеты, спутники планет, кометы, метеоритные тела, космическая пыль. Наблюдаемые размеры Солнечной системы определяются орбитой Плутона (около 40 а.е.) .Солнце как звезда - это типичный желтый карлик, раскаленный плазменный шар. Оно вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Земля, и имеет магнитное поле. Существует отдельная область физики - “физика Солнца”, которая изучает его в разных аспектах (внутреннее строение, излучение, атмосфера и т.д.).

     Планеты обычно разделяют на две группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс - внутренние; Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (планеты-гиганты) - внешние. Плутон по физическим характеристикам отличается от планет-гигантов обычно рассматривается отдельно. Внешние планеты имеют наибольшее число спутников (около 90%).

     Как известно первая теория происхождения Солнечной системы была предложена И. Кантом и П. Лапласом, потом были выдвинуты и другие гипотезы. Современные концепции происхождения солнечной системы учитывают силы электромагнитного происхождения. Согласно теории шведского физика Х. Альфвена, важную роль при образовании этой системы сыграли электромагнитные силы. И именно электромагнитные силы главным образом определяют взаимодействие солнечного ветра со всеми планетами. Солнечный ветер - это постоянное истечение  плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. И в зависимости от того, имеет ли плазма магнитное поле, а если имеет, то на сколько оно сильное, солнечный ветер по разному “обтекает” планеты. Земля обладает магнитным полем около 0,5 Ге на поверхности, Венера и Марс почти не обладают им, а Юпитер имеет довольно сильное магнитное поле.

     Исследование планет, проведённое в течение двух последних десятилетий, преподнесло сюрпризы, о которых астрономы предыдущих поколений и не помышляли. Например, Венера имеет совершенно неожиданные показатели по составу атмосферы, температуре и давлению на ее поверхности. Основной слой облаков атмосферы этой планеты имеет толщину 24 км. В нем содержатся следующие газы: CO - 96,4%, N - 3,4%, H O - 0,135%. Концентрации ³⁶Аr,  ³⁸Ar,  ²⁰Ne  оказались неожиданно большими. Например, концентрация  ³⁶Ar в 200-300 раз больше, чем на Земле.

     В приделах Солнечной системы наблюдаются яркие и необычные явления, например, падение болидов - крупных и исключительно ярких метеоров, видимых, как серая дымка, даже днем. За каждым таким болидом тянется огненный хвост, слышен свист, грохот или треск. Морозной тихой ночью где-нибудь в сельской местности болиды как бы распарывают небо с сухим и резким треском, похожим на треск разрываемой ткани.

     Лунотрясения обусловлены воздействием Земли (приливные силы) во время нахождения  планет (планеты и спутника) на минимальных расстояниях друг от друга. При этом на поверхности Луны выходят газы (из ее недр), которые, по - видимому, создают свечение оранжево - красного цвета.  При этом на поверхность Луны выходят газы ( из ее недр), которые по-видимому, создают свечение оранжево-красного цвета. Эти газы, возможно, очень холодные и представляют собой пары льда, или двуокись углерода.

     Теория развития звёзд. И.С. Шкловский считает, что эволюция звезды осуществляется следующим образом. По некоторым причинам начинает конденсироваться облако межзвездной газовопылевой среды. Потом под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется сравнительно плотный газовый шар, который пока нельзя назвать звездой, так как  в его центральных областях температура ещё недостаточна для того, чтобы могли начаться термоядерные реакции. Это протозвезда. Она продолжается сжиматься, вследствие чего температура её повышается, а размеры уменьшаются. Наконец, температура звёздных недр оказывается достаточной для того, чтобы  там начались термоядерные реакции. При этом давления газа внутри будущей звезды уравновешивает притяжение, и  газовый шар перестаёт сжиматься. Протозвезда становиться звездой.

     Скорость развития звезды зависит от процессов превращения водорода в гелий при термоядерных реакциях в центральных областях звезды. На стадии, когда весь водород исчерпывается, звезда превращается в красного гиганта, увеличиваясь в размерах. При этом идёт другая термоядерная реакция: превращение трёх ядер гелия в ядро углерода, когда же реакция исчерпает себя, начинается новый этап развития звезды. Звезда, масса которой меньше, чем 1,2 массы Солнца, сбрасывает свою наружную оболочку, которая через несколько десятков тысяч лет рассеется. Останется только плотная большая центральная часть бывшего красного гиганта. Она превратиться в белого карлика, который будет медленно остывать, поскольку ядерная реакция в нём прекратится. При дальнейшем остывании она станет чёрным карликом, мёртвой холодной звездой, размеры которой меньше размера земного шара. Так происходит эволюция большинства звёзд. Солнце примерно через 8 млр лет тоже превратиться в красного гиганта, а затем станет белым карликом.

     Итог сжатия зависит от массы звезды. Если масса звезды больше 1,2 массы Солнца, но меньше 3 масс Солнца, то только ядерные силы способны остановить сжатие звезды. При этом вещество так уплотнено, что все электроны вдавливаются в протоны, превращая их в нейтроны, в результате чего возникает нейтронная звезда с радиус всего около 10 км.

Если масса звезды больше 3 масс Солнца, то её сжатие не может быть остановлено никакими силами и звезда превращается в “черную дыру” с радиус приблизительно 3 км. На границе “чёрной дыры” вторая космическая скорость равняется скорости света. Это означает, что никакое природное явление или взаимодействие не может выйти за пределы звезды (за исключением гамма-излучения).

     “Чёрные дыры” находятся в устойчивом динамическом равновесии, и не случайно в настоящее время активно разрабатывается термодинамика “чёрных дыр”. Если “чёрную дыру” заключить в термостат достаточно больших размеров, характеризуемых некоторой температурой, то поток излучения от “черной дыры” (хоукингского) в точности компенсируется излучением на “черную дыру”. Излучение Хоукинга связано с особенностью гравитационного поля “чёрной дыры”, обуславливающей неустойчивость вакуума в ней и рождением пар частиц, одна из которых может вылетать к отдалённому наблюдателю.

     Звёзды - ближайшие соседи Солнца. В 1953г. американский астроном П. ван де Камп составил список звёзд, находящихся ближе 5 парсеков от нашего Солнца. То есть речь идёт о звёздах, находящихся внутри сферы радиусом 5 парсеков, центром которой является Солнце. Выбор этих звёзд достаточно произволен, и они, вне всякого сомнения, дают достаточно верное представление об основных свойствах звёзд в нашей Галактике.

     Оказалось, что в этой сфере содержится 42 звёздных объекта: 31 одна одиночная звезда, 9 двойных звёзд и 2 тройных звезды. Иначе говоря, существует всего 55 звёзд, которые мы будем называть в дальнейшем ближайшими соседями Солнца. Только четыре звезды из этого списка превосходят по светимости наше Солнце и видны на небе, как яркие звёзды ( -Центавра - А - 1.10; Сириус - А - 2,35; Процион - А - 1,74; Альтаир - 2,0), одна звезда равна Солнцу, а остальные по светимости значительно меньше него. Из общего числа ближайших звёзд 45 - “красные карлики”, 5 - “белые карлики”. Среди всех этих звёзд нет ни одного сверхгиганта, ни одной физической переменной звезды. Только 10 звёзд из 55 видны на небе невооружённым глазом. Большинство из всего этого списка звёзд имеют только каталожные наименования, например Вольф 359, Лейтен 726-8, Лаланд 21185.

     Среди этих ближайших звёзд Сириус, Процион и Альтаир можно считать гигантами, хотя диаметр этих звёзд больше диаметра Солнца всего в 1,5-2  раза.

     Вообще звёзды могут быть двойными, тройными, четверными, даже десятерными - их называют кратными. Они связаны в одну систему силами тяготения. Компоненты таких систем описывают свои орбиты вокруг общего центра масс. Если звезд больше десяти, то считают, что это звездное скопление - следующая, более крупная, структурная единица звездного мира.

     В настоящее время в каталоги занесено свыше 60 000 визуально двойных звезд. Однако не все они образуют физически связанные системы. Есть оптически двойные звезды, которые мы видим вдоль одного луча зрения, но которые на самом деле расположены чрезвычайно далеко друг от друга. В тройных звездных системах обычно может быть выделена близкая пара, вокруг которой вращается более отдаленный компонент.

     Местная группа галактик. Звездная система, в которую входит Солнечная система, называется Галактикой (от греческого млечный, молоко). Отсюда ее русифицированное название - Млечный Путь. Таким образом, слово “галактика” может быть именем собственным и именем нарицательным. В первом случае оно обозначает Млечный Путь и пишется с заглавной буквы, во втором случае - огромное звездное скопление, пишется с маленькой буквы. Галактика включает в себя звезды различных типов, звездные облака, скопления, газовые и пылеватые туманности рассеянной космической пыли, частицы космических лучей. Лучшее время для наблюдения Млечного Пути в средних широтах северного полушария Земли - безлунные ночи июля, августа, сентября. Видимый образ нашей Галактики - плоский диск, радиус которого приблизительно в 10 раз превышает его толщину. Диаметр Галактики равен примерно 26 000 парсеков равных 85 000 световых лет равных 8*10¹⁷  км. Солнце находится на расстоянии 8000 парсеков равных 26 000 световых лет от центра Галактики. Мы живем в период квазистационарного, относительно спокойного расширения Вселенной, около одиночной и стабильной звезды - Солнца. Солнце находится в одном из самых спокойных мест Галактики - коротационном круге.

     Во Вселенной много загадочных объектов. Они проявляются уже в Местной группе галактик, и часто их проявление бывает достаточно наглядным.

     Хотя Л. Д. Ландау предсказал существование нейтронных звезд еще в 1932 г., открытие пульсаров в 1967 г. оказалось неожиданным.

     Главная отличительная черта квазаров - концентрация огромной массы в сравнительно малом объеме. Возможно, квазары являются предшественниками радиогалактик, а квазаги - обычных галактик Квазаров и квазагов много меньше, чем галактик, и они не объедены в скопления. Место квазаров в эволюции Метагалактики  еще не установлено. Квазары и квазаги не прошли и не пройдут стадию галактик и радиогалактик. В то же время вполне возможно, что это последние стадии эволюции галактик. В них много тяжелых элементов, которые могли образоваться при сгорании в звездах  водорода и гелия.

     Вселенная. Определение Вселенной дал выдающийся химик ХХ в., лауреат Нобелевской премии Л. Полинг. Вселенная состоит из материи и излучения. Материю можно определить как любой вид массы - энергии, движущейся со скоростями, меньшими скорости света, а излучение - как любой вид массы - энергии, движущейся со скоростью света.

     В начале ХХ в. астрономия основывалась на двух основных утверждениях:

     1. Вселенная бесконечна.

     2. Материя во Вселенной распределена равномерно.

     В настоящее время второе утверждение называется космологическим принципом.

     Представления о статичности Вселенной были развеяны в 20-х гг. ХХ в. благодаря общей теории относительности А. Энштейна и экспериментальным исследованиям Э. Хаббла. По современным представлениям, Вселенная расширяется, и эти представления в 30-х гг. ХХ в. заставили ученых пересмотреть основные утверждения астрономии.

     Так, вместо космологического принципа Бонди, Голда и Хойла сформулировали совершенный космологический принцип: “Свойства Вселенной постоянны как в пространстве, так и во времени”.

     Приблизительно в то же время английские астрофизики А. Милн и М. Мак-Кри показали, что необходимость для Вселенной расширяться или сжиматься следует из самых обычных законов Ньютона.

     Любая космологическая модель должна отвечать следующим условиям:

     1. Разрешить парадокс Ольберса.

     2. Разрешить парадокс Зеелигера.

     3. Учитывать красное смещение, характеризуемое постоянной Хаббла.

     4. Соответствовать космологическому принципу.

     5. Не противоречить возрасту Земли (измеренному независимо).

     6. Не нарушать ни одного основного физического закона, установленного на основании земных экспериментов.

     Кроме того, эта модель должна обладать внутренней красотой, удовлетворять эстетическим критериям.

     Охарактеризуем кратко перечисленные парадоксы.

     Парадокс Г. Ольберса: Если существует бесконечное количество звезд и они распределены равномерно, то ночное небо должно казаться полностью покрытым сверкающими точками, т. е. все небо должно быть таким же ярким, как Солнце. На первый взгляд кажется, что звезды находятся очень далеко. Но при внимательном рассмотрении проблемы становится ясно, что ослабление света с расстоянием точно компенсирует увеличение числа звезд. Если бы пыль и газ межзвездных пространств поглощали основную часть этого излучения, то они сами вскоре нагрелись бы до температур, при которых стали бы светиться подобно звездам. Ольберс предполагал, что именно адсорбация энергии звезд  пылевыми облаками являются разрешением его парадокса, но такое объяснение неверно. Этот парадокс называют также фотометрическим парадоксом и парадоксом Шезо - Ольберса, поскольку Р. Шезо еще в 1774 г. высказывал мысли, близкие к мыслям Ольберса.

     Парадокс Г. Зеелигера: Если бесконечная материя распределена в бесконечном пространстве однородно (как полагал Ньютон), то интенсивность гравитационного поля, проистекающая от бесконечной массы Вселенной, также будет бесконечна. Этот парадокс носит еще название гравитационного парадокса.

     В настоящее время расширяющуюся Вселенную обычно сопоставляют с поверхностью надуваемого шара, все точки которого, в процессе этого надувания, расходятся друг от друга все дальше и дальше.

     Теория большого взрыва не противоречит космологическому принципу, потому что все обломки взрыва равномерно распределяются в пространстве и разбегаются по некоторому закону. Теоретическое расширение и сжатие Вселенной - Единственные крупномасштабные движения ее, разрешаемые космологическим принципом. Например, общее вращение требует существования оси и, следовательно, симметрии. Все это исключает однородность пространства и потому запрещается космологическим принципом. Теория Большого взрыва не нарушает основных законов классической и ядерной физики, квантовой механики. Парадокс Ольберса разрешается так. В расширяющейся Вселенной скорость света достигает на расстоянии в 10 млрд световых лет. Все звезды и галактики за пределами сферы с таким радиусом невидимы для нас, так как свет от них никогда не дойдет до Земли. Темное ночное небо, о котором поставил вопрос Ольберс, создается конечной видимой Вселенной. Это небо, по мере того как все новые и новые звезды будут пересекать сферу радиусом 10 млрд световых лет, станет еще темнее.

     1. Свободные нейтроны, необходимые для образования стабильных        ядер, имеют период полураспада около 12 мин. После трех периодов полураспада (36 мин) осталось бы всего 1/8 часть первоначального числа нейтронов, и дальнейшее образование элементов стало бы весьма    редким.

     2. Через 30 мин температура, соответствующая первоначальным частицам, опустилась бы до значений гораздо более низких, чем необходимо для термоядерного синтеза.

     Никакого “места взрыва”, из которого выбрасывалась первичная материя, не было. Во всем тогдашнем “пространстве”, равномерно заполненном первичной материей, повсюду выделялась энергия. И лишь несколько позже, когда это первичное вещество остыло из - за расширения пространства, равномерно распределённая материя стала распадаться на отдельные почти неподвижные сгущения, из которых образовались галактики, а затем и звёзды.

     Скорость разлетания галактик ни в коем случае  нельзя считать скоростью их движения в пространстве. Каждая галактика почти неподвижна относительно окружающего её пространства. Её скорость в “своем пространстве”, как правило, не превышает 1000 км/с. Разлетание вселенной есть расширение всего пространства, и большая скорость далёких галактик - это просто как бы эффект накопления малых скоростей расширения в каждой точке пространства.

     Таким образом, в настоящее время общепринятой считается модель однородной, изотропной, нестационарной, горячей, расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской  теории тяготения.

     Среди других моделей Вселенной можно отметить, например, такие: модель электрической Вселенной Бонди-Боннора-Литтлтона-Уитроу; модель с изменяющимися мировыми константами Йордана-Дирака, Хойда-Нарликара. Указанные модели не могут соперничать с концепцией Большого взрыва. В 50-е гг. XX в. соперничать с большим взрывом могла только модель стационарной Вселенной Бонди-Голда-Хойла (изотропность Вселенной является одной из предпосылок введения этой модели), но уже в 60 гг. она оказалось бессильной объяснить все факты, которые призвана объяснять космологическая теория.

     Из уравнений Энштейна, описывающих гравитационное поле, следует кривизна пространства и связь этой кривизны с плотностью массы. Но, как в первые заметил петроградский учёный А. Фридман в 1922 г., искривлённое пространство не может быть стационарным, оно должно расширяться или сжиматься. Этот вывод был подтверждён в 1929 г. американским астрономом Э. Хабблом, который открыл эффект “красного смещения”. “Красное смещение - это понижение частоты магнитного излучения. В видимой части спектра линии смещаются  к его красному концу”.  Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера, при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. Так было зафиксировано “красное смещение” для всех далёких источников, и тем самым вывод о расширении Вселенной был надёжно подтверждён измерениями.

     Но возникает вопрос: что же было до большого взрыва?  Из чего возникла Вселенная? В Библии утверждается, что Бог создал всё из ничего. Как не удивительно, но современная наука допускает, что всё могло создаться из ничего. “Ничего” в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который в XX в. считался пустотой, по современным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях “порождать” вещественные частицы. Современная квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в возбуждённое состояние, вследствие чего в нем может образовываться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) возникнуть вещество. Итак, Вселенная могла образовываться из «ничего», т.е. из «возбужденного вакуума.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Человеческое познание структурной организации материи относительно и изменчиво, зависит от постоянно расширяющихся возможностей эксперимента, наблюдений и научных теорий. Современной науке известны следующие типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни материи.: элементарные частицы и поля (электромагнитное, гравитационное и другие); атомы, молекулы, макроскопические тела различных размеров, геологические системы, Земля и другие планеты, звёзды, внутригалактические системы (диффузные туманности, звёздные скопления и другие), Галактика системы галактик, Метагалактика, границы и структура которой пока ещё не установлены. Современные границы познания структуры материи. простираются от 10^-14 см до 10²⁸ см (примерно 13 млрд. световых лет); но и внутри этого диапазона может существовать множество ещё неизвестных видов материи

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горелов А. А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002. – 512с.: ил.

2. Грушевицкая Т. Г., Садохин А. П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие – М.: Высш. шк., 1998. – 383 с.

3. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания :Учеб. пособие для вузов. – М: Аспект Пресс, 2000г. – 256 с.