Концепции современного естествознания

     10.7. Синтез вещества

     Синтез – получение сложных веществ из более простых, основанное на знании молекулярного строения и реакционной способности последних. Особенно большое значение имеет в органической химии. На основе органического синтеза возникли и развились крупнейшие отрасли промышленности: красителей, пластмасс, синтетических каучуков и др. Существует фото- и биосинтез.

     Фотохимический  синтез основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекул существенно зависят от свойств поглощенного света. Активность химического синтеза в значительной степени зависит от длинны волны возбуждаемого излучения и температуры.

     Биосинтез. Среди природных веществ есть регуляторы роста растений и животных, органические соединения, используемые насекомыми в качестве средств коммуникации, пестициды, антибиотики, витамины и многие целебные вещества. Природное соединение сначала необходимо обнаружить, затем выделить его химическим путем, определить его структуру и свойства и, наконец, произвести необходимый синтез.

     Одно  из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений – синтез алмазов, который осуществляется при давлении 50000 атм и температуре 2000⁰С. Промышленный синтез алмазов основан на превращении графита в реакторе высокого давления. Катализатором при этом служат различные вещества: металлический никель, сложные смеси железа, никеля и хрома, смеси карбида железа с графитом и т.п.

     В настоящее время налажено производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней: корунда (красного рубина и синего сапфира), изумруда и др.

     11. Мегамир: современные космологические концепции

     Мегамир или космос современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем (возникающих вокруг звезд), звезд и звездных систем – галактик (см.п.11.2.). Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка – Метагалактику. Размеры Метагалактики грандиозны: радиус космологического горизонта составляет 15 – 20 млрд. световых лет (I световой год (св.г.) = 9,4605·10¹⁵ м). Понятие «Метагалактика» очень близко понятию «Вселенная».

     Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Возраст Вселенной порядка           18 млрд. лет.

     Метагалактика – тот же мир, но с точки зрения его структуры – как упорядоченная система галактик.

     Современные космологические модели Вселенной  основываются на общей теории относительности (ОТО). Свойства Вселенной как целого обусловлены средней плотностью материи и другими физическими факторами. Её динамика определяется гравитационным взаимодействием тел.

     11.1. Концепции эволюции  Вселенной

     Существуют  три концепции эволюции Вселенной:

1. Гипотеза  Большого взрыва.

2. Инфляционная  модель Вселенной, отличие которой  от первой концепции касается  только первоначального этапа  возникновения мира (порядка 10^-30с) и связано с расхождением мировоззренческих установок.

3. Концепция  креационизма, т.е. творения. При этом эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир.

     Остановимся более подробно на первой концепции.

     В 1922 г. российский математик Фридман  создал теорию эволюции наблюдаемой Вселенной, в соответствии с которой получен важный вывод: Вселенная является нестационарной системой. Причем  возможны два основных варианта её эволюции: бесконечное расширение или пульсирующее расширение и сжатие. В настоящее время Вселенная расширяется, но будет ли она когда-то сжиматься пока неизвестно.

     Ученик  Фридмана Гамов разработал модель начальной  стадии горячей Вселенной и назвал её «космологией Большого Взрыва». Согласно этой теории, в результате Взрыва высвободилось  огромное количество энергии и раскаленного до миллиардов градусов первовещества.

     В современной космологии начальную  стадию эволюции Вселенной делят  на эры (эпохи): эра адронов, эра лептонов, ядерная эра, фотонная эра и звездная эра.

       Эра адронов. Продолжительность 10^-4 с, температура 10¹² К. Эра лептонов. Временный интервал 10^-4 с < t <1 c, температура ~ 10¹⁰ К. Ядерная эра. Временной интервал 1 с < t <100 c, температура изменяется от 10¹⁰ К до 10⁹ К. Фотонная эра. Продолжительность ~ 1 млн. лет. К концу эры температура падает до ~ 400 К.

     Звездная  эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной, когда начинается процесс образования протозвезд и протогалактик. (Протозвезды – звезды, в недрах которых ещё не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерной реакции. Протогалактика включает в себя протозвезды). Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

     Галактики (galaktikos – млечный) – гигантские (до сотен млрд звезд) системы, состоящие из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

     По  форме галактики условно делят  на четыре типа: эллиптические, спиральные, линзообразные и неправильные. Некоторые  галактики характеризуются исключительно  мощным радиоизлучением, превосходящим  видимое излучение.  Это радиогалактики.

     Наша  Галактика, которую можно наблюдать  в виде Млечного Пути, имея примерный  возраст 10 млрд. лет, насчитывает в  своем составе по усредненным  оценкам около 200 млрд. звезд. В свою очередь наша спиральная Галактика  входит в так называемую Местную Группу галактик, находящуюся на периферии еще более крупного галактического образования – Сверхскопления галактик, образованного примерно из 10 000 галактических объектов и имеющего диаметр около 40 Мпк (I парсек (пк)=3,60857·10¹⁶м).

     11.2. Концепции эволюции звездных объектов

     На  современном этапе эволюции Вселенной  вещество в ней находится преимущественно  в звездном состоянии. 97% вещества в  нашей Галактике сосредоточено  в звездах, представляющих собой  гигантские плазменные образования  различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.

     Возраст звезд меняется в достаточно большом  диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч – самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими  звездами.

     Огромное  значение имеет исследование взаимосвязи  между звездами и межзвездной средой, включая проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся диффузной (рассеянной) материи.

     Большая заслуга в разработке концепции  звездной эволюции принадлежит российскому  астроному Шкловскому.

     Рождение  звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течение времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как правило, начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам – плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию  вещества во Вселенной.

     Собственно  моментом рождения звезды можно считать  достижение системой критической температуры  около 10 млн. градусов, при которой  и начинается ядерная реакция синтеза.

     Имеет место несколько циклов термоядерного  синтеза. Длительность первого из них, связанного со сгоранием водорода и  превращением его в гелий, занимает примерно 80%  всего времени жизни  любой звезды. При достижении температуры  около 150 млн. градусов начинается второй цикл, при котором столкновения  высокоэнергичных ядер гелия приводят к образованию углерода. При этом размеры звезды увеличиваются под действием энергии излучения в десятки раз. Температура внешних слоев «раздувшейся» звезды снижается, придавая ей красноватый цвет, и она переходит в разряд красных гигантов. Дальнейшие циклы термоядерного синтеза проходят во все ускоряющемся темпе и при стремительно возрастающих температурах ядра звезды. Наконец, при достижении температуры 3 млрд. градусов и синтезе железа энерговыделение резко снижается, а возросшая плотность центральной части оказывается настолько большой, что энергии излучения уже недостаточно, чтобы противостоять гравитационным силам сжатия. Ядро звезды стремительно уменьшается в размерах.

     Последующая судьба звездных объектов во многом определяется значениями масс и размеров каждого  из них, а также взаимным соотношением указанных параметров.

     В соответствии с результатами ОТО, возможны следующие основные варианты звездной эволюции.

     Если  масса звезды меньше 1,4 М_Солнца, то процесс сжатия ядра протекает сравнительно спокойно и звезда превращается в белый карлик (см.стр.43), который может устойчиво излучать энергию в течение миллиардов лет. Однако его температура постепенно снижается, и он переходит в черный карлик.

     Если  же масса звезды больше 1,4 М_Солнца, то сжатие такого объекта происходит с обвальной скоростью и сопровождается в конце сжатия образованием громадной ударной волны обратного действия, результатом которой является сверхмощный взрыв сверхновой звезды. Рождения таких звезд были зарегистрированы в 1054, 1572, 1604, 2004 годах.

     В том случае, когда полного разрушения ядра при взрыве сверхновой звезды не произошло, возможно, образование  одного из двух весьма экзотических звездных объектов: пульсара (см. стр.43) или черной дыры. В настоящее время обнаружено более 300 пульсаров, которые, согласно существующей концепции, представляют собой быстровращающиеся остатки ядер сверхновых звезд или так называемые нейтронные звезды (см.стр.43).                    

     Черные  дыры

     Черная  дыра – космический объект, возникающий в результате сжатия тела гравитационными силами до размеров меньших его гравитационного радиуса , где М – масса тела, G – гравитационная постоянная, с – скорость света.

     Предсказание  о существовании черных дыр сделано  на основе общей теории относительности (ОТО). Согласно ОТО вещество тела, достигшего r_Г, должно неудержимо сжиматься к центру (испытывать релятивистский гравитационный коллапс). Один из возможных путей образования черной дыры указывает теория эволюции звезд. Черной дырой может стать звезда, в недрах которой угасли термоядерные источники энергии. В таких звездах (с массой М > М_{критич.} = (1,5 3)·М_Солнца) силы внутреннего давления уже не могут противостоять силам гравитации. Звезда начинает сжиматься. Если её радиус достигнет r_Г, то никакие сигналы (свет, частицы), испускаемые ею, не могут выйти наружу и достигнуть внешнего наблюдателя. Сохраняющиеся у черной дыры внешние проявления связаны с существованием у неё гравитационного и электрического полей (для заряженной сколлапсированной звезды).

     Кроме черных дыр, возникающих в процессе эволюции звезд, теория рассматривает  черные дыры, образовавшиеся на ранних (горячих и сверхплотных) стадиях развития Вселенной. Это первичные черные дыры.