Вселенная. Звезды. Основные характеристики звезд и их эволюци

Введение

Дисциплина "Концепции современного естествознания" включена в цикл математических и естественнонаучных дисциплин гуманитарных и экономических факультетов с целью ознакомления с дополнительным для них неотъемлемым компонентом единой культуры - естествознанием и формированием целостного взгляда на окружающий мир. Возникающая сегодня тенденция к гармоничному синтезу двух традиционно противостоящих культур созвучна потребности общества в целостной картине мира и подчеркивает актуальность предлагаемой дисциплины. Данная учебная дисциплина не представляет собой механическое соединение традиционных курсов физики, химия, биологии и экологии, а является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексного историко-философского, культурологического и эволюционно-синергетического подходов к современному естествознанию. Поэтому ее эффективное освоение возможно на основе применения новой парадигмы, способной объединить естественно - научную и гуманитарную компоненты культуры.

Естествознание как система научных знаний о природе, обществе и мышлении взятых в их взаимной связи, как единое целое, представляет собой весьма сложное явление, обладающее различными сторонами и связями, чем обусловлено его место в общественной жизни, как неотъемлемой части духовной культуры человечества.

Естествознание как система научных знаний имеет:

· предмет и цели;

· закономерности и особенности развития;

· методы.

Выделяют:

а) Эмпирическую строну Естествознания.

б) Теоретическую строну Естествознания.

в) Прикладную сторону Естествознания.

В мировоззренческом плане, Естествознание как система научных знаний играет фундаментальную роль и состояние Естествознания в конкретно исторический период определяет доминирующую систему взглядов в обществе на природу, в широком смысле слова, и методы ее познания. Знания можно разделить на отрасли, в каждой из которых выделить конкретные направления познания, так познания человечества по отраслям подразделяются на:

естественные (физика, химия, биология и т.д.)

технические (машиностроительные, архитектурные, микроэлектроника и т.д.)

социальные и гуманитарные науки (культурологические знания, социологические, политологические и т.д.)

Задачи работы ответить на вопросы:

Вселенная. Звезды. Основные характеристики звезд и их эволюция.
Корпускулярно-волновые свойства вещества.
Основные положения теории неодарвинизма.
Представление о строении атомного ядра.
Статистические и термодинамические свойства систем.

1. Вселенная. Звезды. Основные характеристики звезд и их эволюция.

Вселенная — фундаментальное понятие астрономии, строго не определяемое, включает в себя весь окружающий мир. На практике под Вселенной часто понимают часть материального мира, доступную изучению естественнонаучными методами. Вселенная как единое целое является предметом изучения раздела астрономии — космологии.

Такое определение включает в себя две ипостаси: умозрительная, философская, и нечто материальное, доступное наблюдениям в настоящее время или в обозримом будущем. Если автор различает эти ипостаси, то следуя традиции, первую называют Вселенной, а вторую — астрономической Вселенной или Метагалактикой (в последнее время этот термин практически вышел из употребления).

В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «небесная сфера», «космос», «мир». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, слово «микрокосмос» используется для обозначения систем малого масштаба в составе гораздо большей системы, частью которой является исходная система.

Любое исследование, любое наблюдение, будь то наблюдение ребёнка за кошкой, физика — за тем, как раскалывается ядро атома, или астронома, ведущего наблюдения за далёкой-далёкой галактикой — всё это наблюдение за Вселенной, а если быть точным — за отдельными её частями. Эти части служат предметом изучения отдельных естественных наук, а Вселенной в максимально больших масштабах, и даже Вселенной как единым целым занимаются астрономия и космология. Именно эти аспекты знаний о Вселенной составляют предмет данной статьи.

Звезда́ — небесное тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Но чаще всего звездой называют небесное тело, в котором идут в данный момент термоядерные реакции. Солнце — типичная звезда спектрального класса G. Звёзды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары. Образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Примечательно и то, что звёзды имеют отрицательную теплоёмкость

Основные звездные характеристики

Светимость и расстояние до звезд

Угловые размеры звезд очень малы. Даже в самые большие телескопы нельзя увидеть звезды в виде "реальных" дисков. Подчеркиваю слово "реальных", так как благодаря чисто инструментальным эффектам, а главным образом неспокойностью атмосферы, в фокальной плоскости телескопов получается "ложное" изображение звезды в виде диска. Угловые размеры этого диска редко бывают меньше одной секунды дуги, между тем как даже для ближайших звезд они должны быть меньше одной сотой доли секунды дуги.

Спектры звезд

Исключительно богатую информацию дает изучение спектров звезд. Уже давно спектры подавляющего большинства звезд разделены на классы. Последовательность спектральных классов обозначается буквами O, B, A, F, G, K, M. Существующая система классификации звездных спектров настолько точна, что позволяет определить спектр с точностью до одной десятой класса. Например, часть последовательности звездных спектров между классами B и А обозначается как В0, В1 . . . В9, А0 и так далее. Спектр звезд в первом приближении похож на спектр излучающего "черного" тела с некоторой температурой Т. Эти температуры плавно меняются от 40-50 тысяч градусов у звезд спектрального класса О до 3000 градусов у звезд спектрального класса М. В соответствии с этим основная часть излучения звезд спектральных классов О и В приходиться на ультрафиолетовую часть спектра, недоступную для наблюдения с поверхности земли. Однако в последние десятилетия были запущены специализированные искусственные спутники земли; на их борту были установлены телескопы, с помощью которых оказалось возможным исследовать и ультрафиолетовое излучение.

Температура и масса звезд

Знание спектрального класса или цвета звезды сразу же дает температуру ее поверхности. Так как звезды излучают приблизительно как абсолютно черные тела соответствующей температуры, то мощность, излученная единицей их поверхности, определяется из закона Стефана Больцмана.

Эволюция звезд

Хотя по человеческой шкале времени звезды и кажутся вечными, они, подобно всему сущему в природе, рождаются, живут и умирают. Согласно общепринятой гипотезе газопылевого облака звезда зарождается в результате гравитационного сжатия межзвездного газопылевого облака. По мере уплотнения такого облака сначала образуется протозвезда, температура в ее центре неуклонно растет, пока не достигает предела, необходимого для того, чтобы скорость теплового движения частиц превысила порог, после которого протоны способны преодолеть макроскопические силы взаимного электростатического отталкивания и вступить в реакцию термоядерного синтеза.

В результате многоступенчатой реакции термоядерного синтеза из четырех протонов в конечном итоге образуется ядро гелия (2 протона + 2 нейтрона) и выделяется целый фонтан разнообразных элементарных частиц. В конечном состоянии суммарная масса образовавшихся частиц меньше массы четырех исходных протонов, а значит, в процессе реакции выделяется свободная энергия. Из-за этого внутренне ядро новорожденной звезды быстро разогревается до сверхвысоких температур, и его избыточная энергия начинает выплескиваться по направлению к ее менее горячей поверхности -- и наружу. Одновременно давление в центре звезды начинает расти. Таким образом, «сжигая» водород в процессе термоядерной реакции, звезда не дает силам гравитационного притяжения сжать себя до сверхплотного состояния, противопоставляя гравитационному коллапсу непрерывно возобновляемое внутреннее термическое давление, в результате чего возникает устойчивое энергетическое равновесие. О звездах на стадии активного сжигания водорода говорят, что они находятся на «основной фазе» своего жизненного цикла или эволюции. Превращение одних химических элементов в другие внутри звезды называют ядерным синтезом или нуклеосинтезом.

В частности, Солнце находится на активной стадии сжигания водорода в процессе активного нуклеосинтеза уже около 5 миллиардов лет, и запасов водорода в ядре для его продолжения нашему светилу должно хватить еще на 5,5 миллиарда лет. Чем массивнее звезда, тем большим запасом водородного топлива она располагает, но для противодействия силам гравитационного коллапса ей приходится сжигать водород с интенсивностью, превосходящей по темпу роста темп роста запасов водорода по мере увеличения массы звезды. Таким образом, чем массивнее звезда, тем короче время ее жизни, определяемое исчерпанием запасов водорода, и самые крупные звезды в буквальном смысле сгорают за «какие-то» десятки миллионов лет. Самые мелкие звезды, с другой стороны, «безбедно» живут сотни миллиардов лет. Так что по этой шкале наше Солнце относится к «крепким середнякам».

Рано или поздно, однако, любая звезда израсходует весь пригодный для сжигания в своей термоядерной топке водород. Что дальше? Это также зависит от массы звезды. Солнце (и все звезды, не превышающие его по массе более чем в восемь раз) заканчиваю свою жизнь весьма банальным образом. По мере истощения запасов водорода в недрах звезды силы гравитационного сжатия, терпеливо ожидавшие этого часа с самого момента зарождения светила, начинают одерживать верх -- и под их воздействием звезда начинает сжиматься и уплотняться. Этот процесс приводит к двоякому эффекту: Температура в слоях непосредственно вокруг ядра звезды повышается до уровня, при котором содержащийся там водород вступает, наконец, в реакцию термоядерного синтеза с образованием гелия. В то же время температура в самом ядре, состоящем теперь практически из одного гелия, повышается настолько, что уже сам гелий -- своего рода «пепел» затухающей первичной реакции нуклеосинтеза -- вступает в новую реакцию термоядерного синтеза: из трех ядер гелия образуется одно ядро углерода. Этот процесс вторичной реакции термоядерного синтеза, топливом для которого служат продукты первичной реакции, -- один из ключевых моментов жизненного цикла звезд.

При вторичном сгорании гелия в ядре звезды выделяется так много энергии, что звезда начинает буквально раздуваться. В частности, оболочка Солнца на этой стадии жизни расширится за пределы орбиты Венеры. При этом совокупная энергия излучения звезды остается примерно на том же уровне, что и в течение основной фазы ее жизни, но, поскольку излучается эта энергия теперь через значительно большую площадь поверхности, внешний слой звезды остывает до красной части спектра. Звезда превращается в красный гигант.

Для звезд класса Солнца после истощения топлива, питающего вторичную реакцию нуклеосинтеза, снова наступает стадия гравитационного коллапса -- на этот раз окончательного. Температура внутри ядра больше не способна подняться до уровня, необходимого для начала термоядерной реакции следующего уровня. Поэтому звезда сжимается до тех пор, пока силы гравитационного притяжения не будут уравновешены следующим силовым барьером. В его роли выступает давление вырожденного электронного газа. Электроны, до этой стадии игравшие роль безработных статистов в эволюции звезды, не участвуя в реакциях ядерного синтеза и свободно перемещаясь между ядрами, находящимися в процессе синтеза, на определенной стадии сжатия оказываются лишенными «жизненного пространства» и начинают «сопротивляться» дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Состояние звезды стабилизируется, и она превращается в вырожденного белого карлика, который будет излучать в пространство остаточное тепло, пока не остынет окончательно.

Звезды более массивные, нежели Солнце, ждет куда более зрелищный конец. После сгорания гелия их масса при сжатии оказывается достаточной для разогрева ядра и оболочки до температур, необходимых для запуска следующих реакций нуклеосинтеза -- углерода, затем кремния, магния -- и так далее, по мере роста ядерных масс. При этом при начале каждой новой реакции в ядре звезды предыдущая продолжается в ее оболочке. На самом деле, все химические элементы вплоть до железа, из которых состоит Вселенная, образовались именно в результате нуклеосинтеза в недрах умирающих звезд этого типа. Но железо -- это предел; оно не может служить топливом для реакций ядерного синтеза или распада ни при каких температурах и давлениях, поскольку как для его распада, так и для добавления к нему дополнительных нуклонов необходим приток внешней энергии. В результате массивная звезда постепенно накапливает внутри себя железное ядро, не способное послужить топливом ни для каких дальнейших ядерных реакций.

Как только температура и давление внутри ядра достигают определенного уровня, электроны начинают вступать во взаимодействие с протонами ядер железа, в результате чего образуются нейтроны. И за очень короткий отрезок времени -- некоторые теоретики полагают, что на это уходят считанные секунды, -- свободные на протяжении всей предыдущей эволюции звезды электроны буквально растворяются в протонах ядер железа, всё вещество ядра звезды превращается в сплошной сгусток нейтронов и начинает стремительно сжиматься в гравитационном коллапсе, поскольку противодействовавшее ему давление вырожденного электронного газа падает до нуля. Внешняя оболочка звезды, из под которой оказывается выбита всякая опора, обрушивается к центру. Энергия столкновения обрушившейся внешней оболочки с нейтронным ядром столь высока, что она с огромной скоростью отскакивает и разлетается во все стороны от ядра -- и звезда буквально взрывается в ослепительной вспышке сверхновой звезды. За считанные секунды при вспышке сверхновой может выделиться в пространство больше энергии, чем выделяют за это же время все звезды галактики вместе взятые.

После вспышки сверхновой и разлета оболочки у звезд массой порядка 10-30 солнечных масс продолжающийся гравитационный коллапс приводит к образованию нейтронной звезды, вещество которой сжимается до тех пор, пока не начинает давать о себе знать давление вырожденных нейтронов -- иными словами, теперь уже нейтроны (подобно тому, как ранее это делали электроны) начинают противиться дальнейшему сжатию, требуя себе жизненного пространства. Это обычно происходит по достижении звездой размеров около 15 км в диаметре. В результате образуется быстро вращающаяся нейтронная звезда, испускающая электромагнитные импульсы с частотой ее вращения; такие звезды называются пульсарами. Наконец, если масса ядра звезды превышает 30 солнечных масс, ничто не в силах остановить ее дальнейший гравитационный коллапс, и в результате вспышки сверхновой образуется черная дыра.

2. Корпускулярно-волновые свойства вещества

Корпускулярно-волновой дуализм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций.

В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

3. Основные положения теории неодарвинизма.

Дарвин сформулировал свою теорию эволюции путем применения понятия естественного отбора , не зная, что является источником изменчивости в популяции. После того, как законы Менделя были "открыты" заново, дарвинизм и менделизм послужили в качестве основы того, что сейчас принято называть СИНТЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИЕЙ ЭВОЛЮЦИИ или НЕОДАРВИНИЗМОМ. Согласно этой теории, хотя за мутациями признается роль первоначального источника генетической изменчивости, естественному отбору принадлежит главенствующая роль в формировании генетического состава популяции и в процессе замещения аллелей .

С ходом времени неодарвинизм в эволюционной биологии стал догмой и естественный отбор стал рассматриваться как единственная движущая сила эволюционного процесса. Другие факторы, такие как мутационный процесс и случайный дрейф генов , в лучшем случае рассматривались как минорные составляющие. Эта разновидность неодарвинизма получила название СЕЛЕКЦИОНИЗМА .

Согласно селекционистской или неодарвинистской концепции эволюционного процесса, замены аллелей происходят в ходе отбора в пользу благоприятной мутации. Полиморфизм , с другой стороны, поддерживается стабилизирующим отбором . Таким образом, неодарвинизм рассматривает генные замены и полиморфизм как два различных явления, вызываемых различными эволюционными силами. Замены аллелей являются конечным результатом позитивного адаптивного процесса, посредством которого новый аллель начинает преобладать в последующих поколениях тогда и только тогда, если он улучшает приспособленность организма. Полиморфизм же, в свою очередь, поддерживается тогда, когда сосуществование двух или более аллелей в локусе благоприятно для популяции. Неодарвинистская теория подразумевает, что генетический полиморфизм в природе большей частью носит стабильный характер.

Конец 60-х годов ознаменовался революцией в популяционной генетике. Ставшее доступным большое число аминокислотных последовательностей удалило видовые границы в популяционно - генетических исследованиях и на первое время обеспечило адекватные эмпирические данные для изучения теорий, касающихся процесса генных замен. В 1968 году Мотоо Кимура постулировал, что большинство изменений на молекулярном уровне в ходе эволюции происходят за счет случайной фиксации нейтральных или почти нейтральных (слабодефектных или слабоадаптивных) мутаций. Эта гипотеза, широко известная сейчас как НЕЙТРАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ, утверждает, что подавляющая часть изменений на молекулярном уровне и большая часть изменчивости внутри видов не вызываются ни позитивным отбором в пользу благоприятных аллелей, ни стабилизирующим отбором, а случайным дрейфом мутантных аллелей, которые нейтральны или почти нейтральны. На ее основных положениях следует остановиться подробнее, поскольку в последнее время она является наиболее "цитируемой" биологической теорией.

Одной из примечательных особенностей молекулярной эволюции, обнаруженной после анализа полипептидных последовательностей, является очень высокая скорость измений ДНК, равная примерно одной нуклеотидной замене на геном за каждые два года. Этот показатель был получен на осовании заниженной оценки, в соответствии с которой аминокислотная замена в полипептидной цепи происходит один раз за 28*10 ⁶лет, а также в предположении, что геном млекопитающих содержит 4*10⁹ пар нуклеотидов. Кимура обратил внимание на тот факт, что такое значение скорости в несколько сот раз превышает оценку, полученную Холдейном (Haldane J., 1957) и основанную на его концепции "груза замещений" (substitutional load). Холдейн рассматривал ситуацию, когда мутантный аллель в результате изменений окружающей среды становится более приспособленным, чем "дикий тип". Затем он оценивал смертность, вызванную положительным естественным отбором или своеобразную "цену", которую вид должен заплатить за сохранение мутантного гена. Кимура, развив его идею, показал, что для поддержания постоянной численности популяции при одновременном сохранении мутационных замен, скорость появления которых равна одной замене в два года, каждый родитель должен оставлять * 3.27*10⁶ потомков, чтобы один из них выжил и начал размножаться (Кимура М., 1985) . Несоответствие этой огромной величины реальным условиям и было главным аргументом, положенным в основу теории нейтральности. Еще один аргумент состоял в том, что для объяснения высокой скорости молекулярной эволюции, при условии ее протекания под действием естественного отбора, необходимо предположить, что благоприятные мутации должны появляться очень часто. Однако, очевидно, что благоприятные мутации возникают гораздо реже вредных.

Согласно теории нейтральности, частота аллеля определяется случайными правилами, и картина, которую мы получаем в любой данный момент времени, является не более чем кратковременным состоянием, представляющим временную картину развивающегося динамичного процесса. Следовательно, полиморфные локусы состоят из аллелей, которые или находятся на "пути" к фиксации , или вот-вот элиминируются из популяции. С этой точки зрения, все молекулярные проявления, относящиеся к эволюционному процессу, должны рассматриваться как результаты непрерывного мутационного процесса и сопутствующей ему случайной элиминации или фиксации аллелей. Таким образом, теория нейтральности рассматривает замещение аллелей и полиморфизм как два аспекта одного и того же явления. Замещение - это длительный и последовательный процесс, в ходе которого частоты мутантных аллелей возрастают или уменьшаются случайным образом до тех пор, пока они по воле случая либо не потеряются, либо не зафиксируются в популяции.

Смысл спора между нейтралистами и селекционистами в основном касается приспособленности мутантных аллелей. Обе теории согласны с тем, что большинство новых мутаций дефектны и что эти мутации быстро удаляются из популяции. Различие состоит в подходе к доле нейтральных мутаций среди всех недефектных замен. Селекционисты утверждают, что селективно - нейтральных мутаций очень мало, нейтралисты же говорят о том, что их большинство.

Бурная дискуссия по поводу теории нейтральности оказала сильное влияние на представления о процессе молекулярной эволюции. Во-первых, она привела к пониманию того, что влиянием случайного генетического дрейфа нельзя пренебрегать при рассмотрении эволюционной динамики изменений на молекулярном уровне. Во-вторых, взаимопроникновение популяционной генетики и молекулярной биологии было значительно усилено появлением концепции того, что молекулярная эволюция и генетический полиморфизм являются двумя сторонами одного и того же феномена. И, хотя спор продолжается до сих пор, сейчас уже ясно, что любая претендующая на адекватность эволюционная теория должна включать в себя оба эти аспекта эволюционного процесса на молекулярном уровне.

4. Представление о строении атомного ядра.

Ядро представляет собой центральную часть атома (см. также АТОМА СТРОЕНИЕ). В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10^–15–10^–14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.

Первое представление об истинных размерах ядра давали опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических фольгах. Частицы глубоко проникали сквозь электронные оболочки и отклонялись, приближаясь к заряженному ядру. Эти опыты явно свидетельствовали о малых размерах центрального ядра и указали на способ определения ядерного заряда. Резерфорд установил, что альфа-частицы приближаются к центру положительного заряда на расстояние примерно 10^–14 м, а это позволило ему сделать вывод, что таков максимально возможный радиус ядра.

На основе таких предположений Бор построил свою квантовую теорию атома, успешно объяснившую дискретные спектральные линии, фотоэффект, рентгеновское излучение и периодическую систему элементов. Однако в теории Бора ядро рассматривалось как положительный точечный заряд.

Ядра большинства атомов оказались не только очень малы – на них никак не действовали такие средства возбуждения оптических явлений, как дуговой искровой разряд, пламя и т.п. Указанием на наличие некой внутренней структуры ядра явилось открытие в 1896 А.Беккерелем радиоактивности. Оказалось, что уран, а затем и радий, полоний, радон и т.п. испускают не только коротковолновое электромагнитное излучение, рентгеновское излучение и электроны (бета-лучи), но и более тяжелые частицы (альфа-лучи), а они могли исходить лишь из массивной части атома. Резерфорд использовал альфа-частицы радия в своих опытах по рассеянию, которые послужили основой формирования представлений о ядерном атоме. (В то время было известно, что альфа-частицы – это атомы гелия, лишенные своих электронов; но на вопрос – почему некоторые тяжелые атомы спонтанно испускают их, ответа еще не было, как не было и точного представления о размерах ядра.)

Открытие изотопов.

Измерения масс «каналовых лучей», проведенные Дж.Томсоном, Ф.Астоном и другими исследователями с помощью более совершенных масс-спектрометров и с большей точностью, дали ключ к строению ядра, а также атома в целом. Например, измерение отношения заряда к массе показало, что заряд ядра водорода, по-видимому, представляет собой единичный положительный заряд, численно равный заряду электрона, а масса m_p = 1837m_e, где m_e – масса электрона. Гелий мог давать ионы с двойным зарядом, но его масса в 4 раза превышала массу водорода. Таким образом, высказанная ранее В.Праутом гипотеза о том, что все атомы построены из атомов водорода, была серьезно поколеблена.

Сравнивая на своем масс-спектрографе массу атома неона с известными массами других элементов, Томсон в 1912 неожиданно обнаружил, что неону вместо одной соответствуют две параболы. Расчеты масс частиц показали, что одна из парабол отвечает частицам с массой 20, а другая – с массой 22. Это явилось первым свидетельством того, что атомы определенного химического элемента могут иметь различные массовые числа. Поскольку измеренное (среднее) массовое число оказалось равным 20,2, Томсон высказал предположение, что неон состоит из атомов двух типов, на 90% с массой 20 и на 10% с массой 22. Поскольку оба типа атомов в природе существуют в виде смеси и их нельзя разделить химическим путем, массовое число неона оказывается равным 20,2.

Наличие двух типов атомов неона наводило на мысль о том, что и другие элементы могут представлять собой смеси атомов. Последующие масс-спектрометрические измерения показали, что большинство природных элементов представляют собой смеси от двух до десяти различных сортов атомов. Атомы одного и того же элемента с различной массой называют изотопами. У некоторых элементов существует только один изотоп, что требовало теоретического объяснения, как и факт разной распространенности элементов, а также существование радиоактивности лишь у определенных веществ.

5. Статистические и термодинамические свойства систем.

Процессы передачи, сохранения и превращения энергии носят всеобщий характер и протекают в любой физической системе. Любой вид энергии способен перейти в тепло, а в некоторых случаях возможен и обратный переход. По этой причине, раздел физики, объектом исследования которого являются тепловые (энергетические) процессы, занимает особое место в теории. В частности, сведения из термодинамики необходимо привлекать при изучении процессов намагничивания вещества, термоэлектричества, явлений упругости и вязкости и т.д.

Кроме того, термодинамические закономерности (особенно касается неравновесной термодинамики) могут успешно применяться далеко за пределами физики при наследовании биологических, общественных и экономических систем. В частности, все большее распространение (особенно на Западе) приобретает такое междисциплинарное направление как эконофизика. Основная идея эконофизики заключается в исследовании экологических систем и процессов методами теоретической физики (преимущественно, статистической физики и термодинамики).

Столь широкое применение термодинамического описания (особенно за пределами физики), по всей видимости, объясняется особенностями термодинамических систем.

Под системой, согласно Советскому энциклопедическому словарю, понимается множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность и единство.

В словаре Вебслера «система» определяется как совокупность объектов, объединенных некоторым взаимодействием или некоторой взаимной зависимостью.

Обычно помимо материальных систем (куда в том числе входят живые и социальные системы), которые представляют для нас интерес, еще рассматривают абстрактные системы.

В большинстве случаев материальные системы не являются обособленными от других систем (среды) и в общем случае обмениваются с ней веществом, энергией и информацией. Особенность термодинамического описания заключается в том, что именно оно позволяет проанализировать обмен термодинамической системы с окружающей средой всеми тремя составляющими.

Если обмен веществом и энергией понятен и хорошо известен из других разделов физики, то обмен информацией, как правило, присущ исключительно термодинамическим системам, поскольку величину информации обычно связывают с величиной термодинамической энтропии.

Охарактеризуем основные особенности термодинамических систем:

Термодинамические системы являются системами большого числа частиц, взаимодействующих как друг с другом, так и с внешними полями. Заметим, что число частиц ограничено как сверху, так и снизу. Наличие нижней границы () связано с необходимостью установления в системе равновесного распределения по скоростям частиц и по координатам. Результаты компьютерного моделирования показывают, что такие распределения могут установиться и для систем гораздо меньшего числа частиц (порядка сотен и даже десятков). Однако в этом случае систему гораздо легче вывести из состояния равновесия, а время установления равновесного состояния будет бо’льшим.

Причина ограничения на сверху также связана с тем, что системы существенно больших масштабов, чем макроскопические (системы Мегамира, имеющих масштаб Вселенной или ее частей) не имеют равновесного состояния.

Таким образом, важной особенностью термодинамической системы является ее равновесность (равномерное распределение частиц, температуры, концентрации и других характеристик по объему, занимаемому системой).

Для любой термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которое оно достигает с течением времени самопроизвольно при фиксированных внешних условиях. Сформулированное положение получило название нулевого начала термодинамики.

Это свойство является специфическим для всех термодинамических систем.

На практике для макроскопических систем под состоянием термодинамического равновесия будем понимать сохранение макроскопических параметров термодинамической системы с течением времени при отсутствии потоков любого типа: вещества, энергии (тепла), энтропии.

Состояние термодинамического равновесия обладает двумя важными свойствами:

В отличие от механического (статического) равновесия термодинамическое равновесие предполагает наличие теплового движения, т.е. является подвижным. Поэтому макроскопические параметры не фиксированы, а флуктуируют около средних значений. Флуктуациям также подвержены и потоки.

Принцип термодинамической транзитивности: пусть имеется три динамических системы , , и их по очереди приводят в тепловой контакт. Если система А, приведенная в контакт с , не изменила своего теплового состояния, и если , приведенная в контакт с , не изменила своего теплового состояния, то и между и тоже будет тепловое равновесие.

Благодаря этому свойству может быть установлен общий параметр, характеризующий равновесие системы и не зависящий от места и способа его измерения – температуры. Принцип термодинамической транзитивности позволяет ввести меру термодинамического равновесия систем, которая называется температурой.

По отношению к термодинамическим системам выполняется так называемый принцип аддитивности. Согласно ему, все величины, описывающие термодинамические свойства систем могут принадлежать к одному классу аддитивности (аддитивные, неаддитивные).

Примером аддитивных величин являются числа частиц в системе , объем V, Энергия , полная энергия системы ε, теплоемкость С.

Примерами неаддитивных величин являются удельная энергия . Удельный объем V = V/N, температура и т.д.

Термодинамические системы подчиняются первому, второму и третьему началу термодинамики.

Традиционно начала термодинамики считают основными аксиомами. Их принято приводить к формулировке математического аппарата макроскопической термодинамики.

Вообще, аксиоматическое построение физической теории осуществляется следующим образом:

На основании обобщения большого числа опытных данных формируются основные исходные положения теории (аксиомы, постулаты, начала). При этом определяется не только условный язык, но и основной круг явлений описываемый при помощи данных изложений, их общие ограничения;

Создается математический аппарат теории;

Созданный аппарат применяется для исследования конкретных физических проблем, а получение результата проверяется экспериментально, что позволяет при необходимости корректировать систему исходных положений или ограничивать область их применения.

Для дальнейшего построения математического аппарата термодинамики нам необходимо рассмотреть способы описания термодинамических систем.

Заключение

Естествознание появилось более 3000 лет назад. Тогда не было разделения на физику, биологию, географию. Науками занимались философы. С развитием торговли и мореплавания началось развитие географии, а с развитием техники -- развитие физики, химии.

Естествознание представляет собой весьма разветвленную область научного знания, затрагивающего широкий спектр вопросов о самых разных аспектах жизнедеятельности природы. Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Соответственно это многообразие нашло свое отражение в большом количестве концепций, посвященных практически всем природным процессам и явлениям. Внимательное их изучение показывает, что Вселенная регулярна и предсказуема; материя состоит из атомов и элементарных частиц; свойства материальных объектов зависят от того, какие атомы входят в их состав и как они там расположены; атомы состоят из кварков и лептонов; звезды рождаются и умирают, как и все остальное в мире; Вселенная возникла в далеком прошлом и с тех пор она расширяется; все живое состоит из клеток, а все организмы появились в результате естественного отбора; природные процессы на Земле происходят циклами; на ее поверхности постоянно происходят изменения и нет ничего вечного и др. В целом мир одновременно един и удивительно многообразен, он вечен и бесконечен в беспрестанном процессе взаимопревращения одних систем в другие, при этом каждая его часть относительно самостоятельна, будучи неизбежно зависимой от общих законов бытия.

Список литературы

Бабушкин, А.Н. Современные концепции естествознания [Текст]: курс лекций; учеб. пособие по дисциплине "Концепции совр. естествознания" для гуманит. направлений и спец. - СПб. [и др.]: Лань : Омега-Л, 2004. - 222 с.
Биология с основами экологии [Текст]: учебник / Лукаткин, А.С., Ручин, А.Б., Силаева, Т.Б., [и др.]; под ред. А.С. Лукаткина - М.: Академия, 2008. - 398 с.
Горелов, А.А. Концепции современного естествознания [Текст]: учеб. пособие для вузов по гуманит. направлениям и спец. - М.: Академия, 2007. - 495 с.
Грин, Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории [Текст]: пер. с англ. / науч. ред. О.В. Малышенко - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 286 с.
Грушевицкая, Т.Г. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов / Грушевицкая, Т.Г., Садохин, А.П. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 670 с.
Данилова, В.С. Основные концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студентов вузов / Данилова, В.С., Кожевников, Н.Н.; Данилова В.С., Кожевников Н.Н. - М.: Аспект-Пресс, 2000. - 255 с.
Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания [Текст]: учеб. пособие для вузов по соц.-экон. спец. - М.: Академия, 2008. - 607 с.
Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания: [Учеб. пособие для вузов]; Основной курс в вопросах и ответах - Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2003. - 406 с.
Дубнищева, Т.Я. Ретрофизика в зеркале философской рефлексии: учеб. пособие по дисциплинам: "Концепции современного естествознания", "Эволюция физических идей", "История науки", "Философия" - М.: ИНФРА-М, 1997. - 334 с.
Естествознание: энцикл. словарь / сост. В.Д. Шолле - М.: Большая Российская энциклопедия, 2002. - 543 с.
Зайцев, Г.Н., Федюкин, В.К., Атрошенко, С.А. История техники и технологий [Текст]: учеб. для студентов по спец. 080502/1 - "Экономика и упр. на предприятии машиностроения" / под ред. В.К. Федюкина - СПб.: Политехника, 2007. - 416 с.
Карпенков, С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум [Текст]: учеб. пособие для вузов - М.: Высшая школа, 2007. - 327 с.
Князева, Е.Н., Курдюмов, С.П. Синергетика: нелинейность времени и ландшафты коэволюции [Текст] / РАН, Ин-т философии, Ин-т прикл. математики им. М.В. Келдыша; вступ. ст. Г.Г. Малинецкого - М.: КомКнига, 2007. - 258 с.
Концепции современного естествознания [Текст]: учеб. для вузов по направлению 050100 "Естественнонауч. образование" / Баленко, Ю.К., Беспамятных, Т.А., Кисилева, Э.М., [и др.] ; под ред. Л.А. Михайлова - СПб. [и др.]: Питер, 2008. - 334 с.
Латыпов, Н.Н. Вакуум, элементарные частицы и вселенная: в поисках физических и философских концепций 21 века / Латыпов, Н.Н., Бейлин, В.А., Верешков, Г.М. - М.: МГУ, 2001. - 231 с.
Лозовский, В.Н. Концепции современного естествознания [Текст]: учеб. пособие для студентов вузов по соц.-экон. направлениям и спец. / Лозовский, В.Н., Лозовский, С.В. - СПб. [и др.]: Лань, 2004. - 224 с.
Лысов, П.К., Акафьев, А.П., Добротина, Н.А. Биология с основами экологии [Текст]: учебник для вузов - М.: Высшая школа, 2007. - 655 с.
Моисеев, Н.Н. Избранные труды [Текст]: в 2 т. Т. 1 / Вычисл. центр им. А.А. Дородницына РАН; Фонд глобальных проблем выживания человечества им. Н.Н. Моисеева - М.: Тайдекс Ко, 2003. - 375 с.
Моисеев, Н.Н. Избранные труды [Текст]: в 2 т. Т. 2 / Вычисл. центр им. А.А. Дородницына РАН; Фонд глобальных проблем выживания человечества им. Н.Н. Моисеева - М.: Тайдекс Ко, 2003. - 264 с.

Оглавление