Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Рис. 175. Кометы:

А – орбиты комет Энке и аллея в Солнечной системе, строение кометы; Б – фотография кометы Галлея

Когда комета входит во внутреннюю область Солнечной системы, её ледяная поверхность испаряется и под действием солнечного излучения образует поток ионов, создавая длинный светящийся хвост (от греч. kometes – длинноволосый), поперечником в несколько десятков тысяч и длиной до нескольких миллионов километров, часто видимый с Земли невооружённым глазом. Самой известной кометой является комета Галлея, которая названа в честь английского астронома Эдмунда Галлея, доказавшего, что кометы 1531, 1607 и 1682 гг. – это одна и та же комета, и предсказавшего её возвращение в 1759 г. С тех пор можно наблюдать её возвращение к Земле с периодами около 76 лет.

Метеоры и метеориты

В окрестностях нашей планеты существуют и совсем мелкие тела, которые, попадая в атмосферу, нагреваются вследствие трения об неё и сгорают. Такие тела называют метеорными телами, а свет, видимый при их сгорании, – метеором. Метеоры часто называют «падающими звёздами», а явления, при которых их наблюдается особенно много, – метеорными потоками или «звёздными дождями». Иногда среди метеоров попадаются особенно крупные, излучающие свет, соответствующий звезде 4-й величины. Такой метеор называют болидом. В тех случаях, когда метеорное тело настолько плотно и массивно, что не успевает целиком сгореть в атмосфере, а падает на поверхность Земли в виде твёрдого предмета, его называют метеоритом (рис. 176).

Рис. 176. Метеориты: А – каменный; Б – железокаменный; В – железный; Г – метеорный поток (метеоритный дождь)

Проверьте свои знания

1. Какая реакция является источником солнечной энергии?

2. Перечислите планеты Солнечной системы в порядке их удаления от Солнца.

3. Какая из планет Солнечной системы является самой большой? Во сколько раз её масса больше массы Земли?

4. Между орбитами каких планет находится пояс астероидов?

5. Из чего образуется хвост кометы?

Задания

1. Подготовьте сообщение или презентацию об астероидах и кометах, которые «посещали» околоземное пространство в XX–XXI вв.

2. Организуйте и проведите конференцию «Тунгусский метеорит: загадки и гипотезы».

§ 64 Звёзды, галактики, метагалактика

Полночных солнц к себе нас манят светы…В колодцах труб пытливый тонет взгляд.Алмазный бег вселенные стремят:Системы звёзд, туманности, планеты,От Альфы Пса до Веги и от БетыМедведицы до трепетных Плеяд —Они простор небесный бороздят,Творя во тьме свершенья и обеты.О, пыль миров! О, рой священных пчёл!Я исследил, измерил, взвесил, счёл,Дал имена, составил карты, сметы…М. ВолошинЧто такое звёзды?Если спросят вас —Отвечайте смело:Раскалённый газ.И ещё добавьте,Что притом всегдаЯдерный реактор —Каждая звезда!Р. Алдонина

Гиганты, карлики и чёрные дыры.

Наряду с Солнцем во Вселенной существует множество подобных ему тел, называемых звёздами. Все звёзды обладают очень высокой температурой из-за того, что внутри их происходят термоядерные реакции, т. е. такие реакции, в которых ядра лёгких элементов, находящихся в начале периодической таблицы, объединяются в ядра более тяжёлых элементов. Чаще всего это объединение ядер водорода с образованием гелия. При термоядерных реакциях выделяется огромное количество тепловой энергии, благодаря чему звёзды представляют собой раскалённые тела. Температура в недрах звёзд измеряется миллионами, а на их поверхности – тысячами градусов по шкале Кельвина. Как уже говорилось, температура поверхности звезды определяет её цвет. Самые горячие звёзды с температурой 30–60 тыс. °С мы видим как голубые. Звёзды с температурой около 10 тыс. °С воспринимаются как белые, а самые холодные, температура которых не более 5 тыс. °С, – как жёлто-оранжевые.

Звёзды образуются из разреженных облаков межзвёздного газа (рис. 177). Притягиваясь под влиянием силы тяготения, частицы газа, главным образом водорода, сближаются, и при этом гравитационная энергия переходит в тепловую. Когда температура достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается.

Рис. 177. Эволюция звёзд

В таком состоянии звезда пребывает в течение большей части своего существования. Затем запасы водорода в ядре звезды истощаются, и тогда термоядерный процесс продолжается уже на её периферии. Звезда увеличивается в размерах и постепенно остывает, превращаясь в красный гигант. После того как запасы водорода исчерпаются, начинаются термоядерные реакции с превращениями других элементов. Звезда начинает сжиматься и разогреваться, в результате чего она становится белым карликом. Когда же топливо для термоядерных реакций полностью закончится, силы гравитации, которым теперь уже ничто не противодействует, сожмут звезду настолько, что она станет совсем карликовым телом, но при этом обладающим огромной массой. Сила притяжения этой колоссальной массы настолько велика, что от неё не могут оторваться даже фотоны. Поэтому она не излучает и не отражает света и выглядит совершенно чёрной, за что и называется чёрной дырой. Чёрными дырами могут становиться только большие двойные звёзды. Более мелкие звёзды остаются белыми карликами или становятся нейтронными звёздами, которые состоят исключительно из нейтронов. После своего образования чёрная дыра может притягивать оказывающиеся поблизости мелкие тела и постепенно увеличивать свою массу и размеры. Попадание крупных космических тел в чёрную дыру маловероятно из-за её малых размеров и большой отдалённости от этих тел. В результате такого разрастания во Вселенной образуется большое количество чёрных дыр, одна из которых находится в центре нашей галактики.

Пульсары, квазары и сверхновые.

В результате сжатия звёзд могут образовываться космические объекты, которые до сих пор остаются в достаточной степени загадочными. Одним из таких объектов являются пульсары. Это маленькие, похожие на нейтронные, звёзды, излучение которых распространяется только в одном направлении узким пучком. Так как пульсары очень быстро вращаются, их излучение можно регистрировать через определённые периоды. Это излучение как бы пульсирует, откуда и произошло их название. Другим загадочным объектом Вселенной являются квазары (рис. 178) – относительно небольшие тела с невероятно сильным излучением, находящиеся от нас на удалении в несколько миллиардов световых лет. Несмотря на эти огромные расстояния, они заметны с Земли, благодаря исключительной интенсивности их электромагнитного излучения. Некоторые квазары, приблизительно равные по размеру Солнечной системе, излучают энергии больше, чем вся наша Галактика. Во Вселенной уже обнаружено более 200 тыс. квазаров, и астрономы постоянно открывают всё новые и новые.

Иногда звёзды заканчивают свою эволюцию не сжатием, а взрывом, сопровождаемым яркой вспышкой, после чего звезда превращается в рассеянное излучение и облако пыли и газа.

Рис. 178. Квазар

Такие звёзды называют новыми или, в случае очень яркой вспышки, сверхновыми (рис. 179). На самом деле они не являются действительно вновь образовавшимися – вспыхивают уже давно существующие звёзды. Но в некоторых случаях наблюдали вспышку ранее незаметных и неизвестных звёзд, что и стало причиной такого названия.

Галактики и метагалактика.

Звёзды во Вселенной распределены не равномерно, а объединяются в скопления, которые называют галактиками (рис. 180). Ошибочно думать, что видимые на небе созвездия являются скоплениями звёзд. Звёзды, которые мы видим на одном участке неба, на самом деле могут находиться на очень большом расстоянии друг от друга.

Рис. 179. Сверхновая ярко сияет в Большом Магеллановом облаке (А) на том месте, где прежде была лишь слабенькая звезда 12-й звёздной величины (Б, указана стрелкой)

Рис. 180. Спиральная галактика

Галактики представляют собой истинные скопления звёзд, разделённые межгалактическим пространством.

Солнечная система находится в галактике, которую называют Млечный Путь (рис. 181). Иногда её ещё называют Галактикой (с заглавной буквы). Млечный Путь – спиральная галактика, в которой находится больше 200 млрд звёзд. Она имеет диаметр около 100 тыс. световых лет и толщину несколько тысяч световых лет. С Земли Млечный Путь виден как клочковатая полоса звёзд, напоминающая сгустки молока.

Рис. 181. Галактика Млечный Путь

Отсюда и произошло название «галактика», которое в переводе с греческого означает «молочное кольцо». Сначала Галактикой называли только Млечный Путь, а когда выяснили, что во Вселенной есть похожие на него звёздные скопления, их тоже стали именовать галактиками.

Другие галактики отдалены от Млечного Пути на очень большие расстояния, которые измеряют миллионами световых лет. Невооружённым глазом на небе можно увидеть всего три галактики: туманность Андромеды в Северном полушарии и Большое и Малое Магеллановы облака[17] – в Южном. Туманность, или, правильнее, галактика Андромеды, – одна из самых близких к нам галактик. Расстояние до неё составляет около 2,5 млн световых лет. Млечный Путь вместе с галактикой Андромеды, Магеллановыми облаками и ещё несколькими галактиками образует Местную группу галактик, которые взаимодействуют между собой и движутся вокруг общего центра. Различить отдельные звёзды во многих отдалённых галактиках удалось только после запуска космического телескопа «Хаббл». Галактики могут иметь самые разнообразные формы и размеры. Они могут быть эллиптическими, спиральными, могут иметь перемычку, а иногда обладают неправильной формой. Диаметр галактик колеблется в пределах от 16 до 180 тыс. световых лет. Все известные галактики образуют скопления, которые объединяют в метагалактику. Метагалактика – это вся наблюдаемая в настоящее время часть Вселенной, состоящая из десятков миллиардов галактик. По мере того как совершенствуются средства изучения Вселенной, обнаруживается всё больше галактик и, следовательно, границы метагалактики расширяются.

Проверьте свои знания

1. В каких пределах может изменяться температура звёзд?

2. Какие процессы служат основой для образования чёрных дыр?

3. Что такое квазары? На каком расстоянии от Земли они находятся?

4. В какой галактике находится Солнечная система?

5. Что такое метагалактика?

Задания

1. Попробуйте в ясную тёмную ночь найти на небе Млечный Путь. Он выглядит как белёсая полоса, пересекающая звёздное небо.

2. Объясните, отражает ли реальную эволюцию звезды её название «новая» или «сверхновая».

§ 65 Возникновение и эволюция вселенной

Если бы открыл звезду я,Я её назвал бы «Фридман»…Фридман! До сих пор он жительЛишь немногих книжных полок —Математики любитель,Молодой метеорологИ военный авиаторНа германском фронте где-то…Факт, что кое в чём пошёл онДальше самого Эйнштейна:Чуя форм непостоянствоВ этом мире-урагане,Видел в кривизне пространстваОн Галактик разбеганье.Расширение Вселенной?В этом надо разобраться!..Этот Фридман был учёнымС будущим весьма завидным.О, блесни над небосклоном!..Л. Мартынов

Расширение Вселенной

Вплоть до начала прошлого века существовало две точки зрения на происхождение Вселенной. Те учёные, кто придерживался естественно-научных взглядов на устройство мира, полагали, что Вселенная вечна и неизменна. Богословы же говорили, что Мир сотворён и у него будет конец. Двадцатый век, в значительной степени изменивший многие научные представления, позволил по– иному взглянуть и на происхождение Вселенной.

Вначале было обнаружено, что Вселенная не остаётся в неизменном виде, а постоянно расширяется. Согласиться с этим положением, явно противоречащим привычным для научного сообщества представлениям, было непросто. Впервые гипотезу нестационарной Вселенной предложил в 1922 г. советский физик и математик Александр Александрович Фридман (1888–1925). Хотя Фридман в своих исследованиях опирался на теорию относительности, даже автор этой теории А. Эйнштейн не сразу согласился с его выводами. В 1912–1914 гг. американский астроном В. Слайфер обнаружил так называемое красное смещение галактик (рис. 182). Оно состояло в том, что спектр излучения далеких звёздных объектов оказался сдвинутым в длинноволновую (красную) сторону по сравнению с тем, каким он должен был быть на самом деле. Такое явление могло быть объяснено эффектом Доплера, о котором мы говорили в § 34, и в таком случае оно означало бы, что галактики от нас удаляются.

Рис. 182. Смещение галактик

В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) обнаружил, что для далёких галактик красное смещение оказывается большим, чем для близких, т. е. дальние галактики кажутся «краснее», чем близкие. При этом степень «покраснения» возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон красного смещения, или закон Хаббла). Значит, галактики, а точнее скопления галактик, разбегаются, и скорость этого разбегания тем больше, чем дальше они находятся. Это не означает, что галактики удаляются именно от Земли, т. е. что Земля является центром Вселенной. Точно такое же разбегание можно было бы увидеть из любой точки метагалактики, т. е. «все бегут от всех». Это можно легко себе представить, если нанести на надувной шарик какие– либо отметины. При надувании шарика все они будут удаляться друг от друга.

Гипотеза Большого взрыва.

Но если это так, то расширение Вселенной должно иметь начало, т. е. было время, когда вся она была сосредоточена в одной точке. Эти рассуждения привели к возникновению гипотезы Большого взрыва. Расчёты показывают, что Большой взрыв произошёл 15–20 млрд лет назад. На вопросы о том, почему он произошёл и что было до него, точного ответа нет. Современная физика может лишь с достаточной уверенностью сказать, что происходило через некоторое время после начала рождения Вселенной. Тем не менее это «некоторое время» нельзя назвать продолжительным – оно составляет 10-43 секунды. Это такая доля секунды, где после нуля с запятой надо написать сорок два нуля, пока не появится значащая цифра. В это время будущая Вселенная представляла собой так называемую сингулярную точку, которая при ничтожных размерах содержала в себе всю энергию, которая сейчас распределена по Вселенной. Температура, которую имела эта точка, выражается тридцатидвухзначным числом. Вскоре, т. е. примерно через одну стомиллионную долю секунды, Вселенная стала расширяться, появились кварки, а затем и элементарные частицы. В это же время происходило снижение её температуры и возникли известные нам теперь четыре фундаментальных взаимодействия, которые раньше представляли собой единое целое. После этого начались термоядерные реакции, при которых протоны стали объединяться в ядра гелия[18]. На этом этапе скорость эволюции Вселенной сильно замедлилась, и потребовалось несколько сот тысяч лет для того, чтобы возникли атомы с их электронными оболочками. В это время Вселенная наполнилась излучением, которое путешествует по ней до нашего времени. Оно называется реликтовым излучением и служит одним из доказательств теории Большого взрыва.

Расширение Вселенной, начавшееся с сингулярной точки, продолжается и в наше время. Самой интересной его особенностью, является то, что галактики разбегаются не замедленно (что должно было быть, если бы их движение тормозила сила взаимного притяжения), а, наоборот, ускоренно, как если бы их продолжала толкать какая-то сила. Для объяснения этого загадочного факта физикам пришлось ввести понятие «тёмной энергии», которая и расталкивает галактики. Сущность этой энергии остаётся ещё не вполне ясной.

Существуют и другие вопросы, связанные с Большим взрывом, на которые пока нет ответа. Например, почему в результате этого взрыва образовалось вещество, а не антивещество? По всем своим физическим и химическим свойствам оно ничем не отличается от нашего вещества, однако никогда не может вступить с ним в контакт. Если такое произойдёт, то все частицы, соединяясь со своими античастицами, аннигилируют и превратятся в кванты гамма-излучения. Если бы во время Большого взрыва образовались равные количества вещества и антивещества, они бы тут же аннигилировали и никакой Вселенной бы не существовало. Одним из возможных ответов на этот вопрос может быть гипотеза, согласно которой в начальный момент существования Вселенной вещества, так же как и антивещества, было очень много. Но случайно вещества оказалось несколько больше, чем антивещества. Всё антивещество аннигилировало, а то, что осталось от вещества, образует нашу Вселенную.

Ещё одна не вполне решённая проблема заключается в том, что основные физические константы и величины, такие как скорость света, гравитационная постоянная, постоянная Планка, массы электрона и протона, единичный заряд электрона, соотносятся между собой именно таким образом, чтобы Вселенная могла существовать. Если бы существующее соотношение хотя бы немного нарушилось, не могли бы существовать даже химические элементы, а тем более звёзды и галактики[19], и уж совсем невероятным было бы появление жизни и разумного наблюдателя, который мог бы всё это узнать. Почему же образовалось именно такое соотношение величин, а не какое-либо иное? Существующие ответы на этот вопрос можно свести к двум вариантам.

Антропный принцип: сильный или слабый.

Сторонники «теории разумного замысла» утверждают, что вероятность возникновения такого сочетания физических величин слишком мала для того, чтобы его можно было считать случайным, а следовательно, Вселенная была создана сознательно по какому-то первоначальному Замыслу. Такая точка зрения приводит к выдвижению Сильного (или Большого) антропного принципа:

Вселенная должна иметь свойства, позволяющие развиться разумной жизни.

Противники этой теории настаивают на случайности такого набора физических величин и, в частности, утверждают, что наша Вселенная не является единственной. Существуют другие миры, где соотношение этих констант совсем иное, а следовательно, там не существует разумных наблюдателей. Они выдвигают Слабый (Малый) антропный принцип:

во Вселенной встречаются разные значения мировых констант, но наблюдение возможно только в тех из них, где эти значения приводят к появлению наблюдателя.

(Мир, в котором мы живём, – это мир, в котором живём мы). В настоящее время ни одна из этих точек зрения не может быть ни опровергнута, ни доказана научным путём.

Возникновение галактик, Солнечной системы и Земли

Через 1–2 млрд лет после Большого взрыва возникли галактики, а ещё приблизительно через 8 млрд лет появилась Солнечная система, возраст которой, таким образом, насчитывает около 5 млрд лет. Скорее всего, Солнце образовалось благодаря сгущению гигантского облака пыли и газа, так называемой солнечной туманности (рис. 183). Центральная часть туманности образовала Солнце, которое из-за колоссального сжатия, вызванного силой притяжения между частицами, стало уменьшаться в размерах и одновременно сильно нагреваться. Энергия сжатия настолько повысила температуру Солнца, что в нём стали возможны термоядерные реакции, которые, в свою очередь, ещё больше его раскаляли.

Рис. 183. Возникновение Солнечной системы: А – разреженный межзвездный газ стал собираться в облако; Б – вещество уплотнилось и превратилось в кольца, вращающиеся вокруг центра; В – в центре образовался газовый шар, в котором началась термоядерная реакция; Г – из газовых колец возникли планеты

Из других частей туманности возникли сгустки, которые потом стали планетами. Один из таких сгустков стал Землёй. На Земле происходили примерно те же процессы, что и на Солнце, только в гораздо меньших масштабах. Вначале температура её была настолько велика, что она представляла собой раскалённый жидкий шар. В результате этого более лёгкие соединения кремния оказались на поверхности планеты, а более тяжёлые металлы сосредоточились в её ядре. Приблизительно через миллиард лет Земля остыла, и кремниевые соединения затвердели, образовав породы земной коры. При остывании Земли выделялось много различных газов, самые тяжёлые из которых остались у поверхности планеты, образовав её атмосферу. В атмосфере присутствовали также водяные пары. Когда температура Земли стала ниже 100 °C, пары сконденсировались и образовали моря и океаны.

Проверьте свои знания

1. Что такое красное смещение галактик? С помощью какого физического эффекта можно его объяснить?

2. Когда по современным представлениям произошёл Большой взрыв?

3. Через какое время после Большого взрыва возникли атомы?

4. Что такое Сильный и Слабый антропные принципы?

§ 66 Скорость света

Ибо, смотрите, простая ракетаМчится почти что со скоростью звука,Но ведь и этоНехитрая штука.ЭтоПочти неподвижности мука —Мчаться куда-то со скоростью звука,Зная прекрасно, что есть уже где-тоНекто,ЛетящийСо скоростьюСвета!Л. Мартынов