Краткая характеристика микромира

1.Краткая характеристика микромира

Вакуум. По представлениям современной науки , вакуум-это отнюдь не пустота или «отсутствие всякого присутствия». Вакуум представляет собой физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованные порции энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей какой-то энергией, которая всё время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами. Однако воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбуждённые состояния полей – тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором фундаментальных постоянных. В одной из таких областей, видимо случайно, получился набор, годный для появления разумных существ. В ней мы и живём. О других вселенных мы пока ничего не знаем и можем лишь догадываться об их существовании.

Элементарные  частицы. По современным представлениям, все элементарные частицы являются наименьшими «кирпичиками». Из которых создан окружающий мир. Однако это не означает. Что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

Все известные  элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют  составное строение: состоят из истинно  элементарных частиц-кварков. И причём допускается существование шести  типов кварков.

Стабильными, т.е. живущими в свободном состоянии  неограниченно долго, частицами  являются протон, электрон, фотон и , по-видимому, нейтрино всех типов. Время  жизни протона составляет  10³¹ лет. Самыми короткоживущими образованиями являются резонансы_ их время жизни порядка  10^-23 с. В самой природе короткоживущие элементарные образования могут играть  роль при самых экстремальных условиях существования вещества и поля, например: в «начальных» стадиях эволюции Вселенной, при образовании таких астрофизических объектов, как «чёрные дыры», в формировании сердцевины нейтронных звёзд.

Объединение релятивистских и квантовых представлений, осуществлённое в значительной степени  ещё в 30-е годы, привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний в физике- открытию мира античастиц. Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена  жизни, одинаковые массы, их электрические  заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством  пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в  частицы другого рода. Античастицы  могут собираться в антивещество. Несмотря на микроскопическую симметрию  между частицами 

и античастицами,  во Вселенной не обнаружены области  со сколько-нибудь заметным содержанием  антивещества. Частицы и их античастицы  одинакова взаимодействуют с  полем тяготения, что указывает  на отсутствие «антигравитации».

   Ядра. Атомные ядра -это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра. Известны ядра с зарядом, равным от одного заряда протона до 109 зарядов протона и с числом протонов и нейтронов (т.е. нуклонов) от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами, т.е. обладающими наибольшей энергией связи, являются ядра с числами протонов и нейтронов 2,8,20,28,50,82,126, называемых магическими. Плотность числа частиц в многонуклонных ядрах порядка 10⁴⁴ нуклонов/м³, а плотность массы 10¹⁷ кг/м³. "Радиусы" ядер изменяются от2х10^-15м (ядро гелия) до 7 х 10^-15 м (ядро урана). Ядра имеют форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида (или еще более сложную).

   Ядро  как квантовая система может  находиться в различных дискретных возбуждённых состояниях. В основном состояния ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными). Время, за которое их любого макроскопического  количества нестабильных ядер распадается  половина, называют периодом полураспада. Периоды полураспада известных  нам элементов изменяются в пределах примерно от 10¹⁸ лет до 10^-10 с.

Атомы. Они состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический и окружены роем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов. В отличие от «плотной упаковки» ядерных частиц атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Существуют жесткие правила «заселенности» электронами орбит вокруг ядра. Электроны, находящиеся на самых верхних этажах «атомного дома», определяют реакционную способность атомов, т.е. их способность вступать в соединение с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна. У большинства элементов атомы химически нестабильны. Атом стабилен, если его внешняя оболочка заполнена определённым числом электронов (2,8 и др.). Атомы с незаполненными внешними оболочками вступают в химические реакции, образуя связи с другими атомами.

Молекулы. Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь возможна в том случае, если совместная орбита целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет миллионы. Качественно молекула-  это определённое вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счёт обменного химического взаимодействия объединены в частицы. Поскольку электроны в молекулах обобществлены, атомы теряют свою индивидуальность. При затрате определённой энергии устойчивая молекула может быть разложена на атомы.

Некоторые атомы (например, углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования  ещё более сложных структур (макромолекул), которые проявляют уже биологические  свойства, т.е. свойства живого.(рис.5.2.) 

Клетка. За 3 млрд лет существования на нашей планете живое существо развилось в несколько миллионов видов, но все они- от бактерий до высших животных – состоят из клеток. Клетка – это организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал. Идентичный исходной клетке. Клетки служат элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни. Клетка состоит из ядра и цитоплазмы (рис. 5.3.)

От окружающей среды клетка отделена плазматической мембраной, которая регулирует обмен  между внутренней и внешней средой и служит границей клетки. В каждой клетке содержится генетический материал в форме ДНК, регулирующей жизнедеятельность  и самовоспроизведение. Размеры  клеток измеряются в микрометрах (мкм) – миллионных долях метра и  нанометрах (нм) – миллиардных долях. Например, соматическая животная клетка средних размеров имеет 10-20 мкм в  диаметре, растительная – 30-50 мкм; длина  хлоропласта цветкового растения – 5-10мкм, бактерии – 2 мкм. Клетки существуют как самостоятельные организмы (простейшие бактерии) или входят в состав многоклеточных организмов. Половые клетки служат для размножения, соматические клетки отличаются по строению и функциям (нервные, мышечные, костные). Клетки отличаются своими размерами, формой. В клетках  имеются органеллы, выполняющие  свой набор функций. 

2.Проблема  «Тепловой смерти  Вселенной»

Классическая  термодинамика оказалась не способной  решить и космологические проблемы характера протекания процессов, происходящих во Вселенной. Уильям Томпсон экстраполировал  принцип возрастания  энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие  в природе. На основе этого Р.Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную  в целом, что привело его к гипотезе о «тепловой смерти Вселенной». Все физические процессы, согласно второму началу термодинамики, протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Это означает, что медленно. Но верно идёт процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, будущее вырисовывается перед нами в достаточно трагических тонах: ожидается исчезновение температурных различий в природе и превращение всей мировой энергии в теплоту. Равномерно распределённую во Вселенной. Отсюда Клаузиус выдвинул два постулата:

1.Энергия  Вселенной всегда постоянна.

2. Энтропия  Вселенной всегда растёт к  максимуму.

Если  принять второй постулат, то необходимо признать, что процессы во Вселенной  направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя.

Вытекающий  отсюда вывод о грядущей тепловой смерти Вселенной, означает прекращение  каких-либо физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное  состояние с максимальной энтропией. На протяжении всего дальнейшего  развития этот вывод привлекает внимание ученых, ибо затрагивает не только глубинные проблемы чисто научного характера, но также философско-мировоззренческие  аспекты, указывающие определенную верхнюю границу возможного существования человечества. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых. Однако в середине XIX в мало было научных аргументов для опровержения мнения Р.Клаузиуса. Только единицы догадывались, что понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.

С научной  точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:

1.Вселенная  рассматривается как замкнутая  система.

2.Эволюция  мира может быть описана как  смена его состояний.

3.Для  мира как целого состояние  с максимальной энтропией имеет  смысл, как и для любой конечной  системы.

Проблемы  эти представляют несомненную трудность  и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности  и развивающейся на её основе современной  космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности  мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле. В связи с этим применение закона возрастания энтропии  не приводит к выводу о необходимости в нём статистического равновесия.

Проблему  будущего развития Вселенной пытался  разрешить и Больцман, применивший  к замкнутой Вселенной понятие  флуктуации. Под флуктуацией какой-то физической величины понимается отклонение истинного значения данной величины от её среднего значения, обусловленного, например, хаотическим тепловым движением  частиц системы. Больцман принял ограничение  Максвелла, согласно которому для небольшого числа частиц второе начало термодинамики  не должно применяться, ибо в случае небольшого числа молекул нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом он использует это  ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как  небольшую область бесконечной  Вселенной. Для такой небольшой  области допустимы небольшие  флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной  в направлении к хаосу.

К сожалению, мечта Больцмана не сбылась в  полной мере. Ему не удалось найти  ключ к объединению динамики и  второго начала термодинамики, а  предлагаемая флуктуационная модель эволюции Вселенной имела всего лишь характер гипотезы.

XX век вносит коррективы в изучение проблемы эволюции Вселенной. Формитруется новое междисциплинарное направление – синергетика, и на его основе возникает теория самоорганизации сложных систем. В отличие от закрытых, или изолированных, реальными системами в природе являются открытые системы. Они обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию  и потому она слишком упрощает и углубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике место закрытой изолированной системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Открытая система не может быть равновесной, потому что её функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывал Эрвин Шредингер , извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования энергии или вещества из внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет её структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению её элементов. Так, схематически могут быть охарактеризованы процессы самоорганизации открытых систем. Как отмечает основоположник теории самоорганизации И.Р. Пригожин, переход от термодинамики неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей. 

3.Эволюция  атмосферы Земли

В фазу расплавления огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу  Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли газов были углекислый газ и водяной пар, что аналогично составу летучих компонентов  при современных вулканических  извержениях (80% вода, 10 % углекислый газ). После охлаждения земной поверхности  до температуры ниже 100 °С произошёл переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. Так как углекислый газ легко растворяется в воде, то преобладающая его часть была поглощена водой. В настоящее время в океанических водах в 60 раз больше углекислого газа, чем его имеется в атмосфере. Воздушная среда не только утратила почти всю воду, находившуюся в ней в виде пара, но в ней осталось мало С0₂  . во много раз уменьшилось и её давление. Дальнейшая эволюция атмосферы связана главным образом с появлением и развитием органического мира, прежде всего растительного. Атмосфера предохраняет нас не только от огромных колебаний температур. Это неоценимая защита от метеорных тел, непрерывно бомбардирующих Землю из межпланетного пространства. Метеорные тела сталкиваются с Землей со скоростью до 72 км/ч. Сила удара метеоритной частицы массой всего 0,001 г, несущейся с такой скоростью, такая же, как пули пистолета 45 калибра при выстреле в упор. Хотя размеры частиц не больше пылинки и меньше средней песчинки, она все же опасна для человека. Ежедневно  в земную атмосферу вторгаются миллиарды частиц, создавая слабые метеоры, которые можно видеть только в телескоп. Слабейшие метеоры, видимые невооруженным  глазом, в несколько раз крупнее. Большинство этих тел быстро испаряется в атмосфере из-за сопротивления воздуха. Наше счастье, что мы защищены атмосферой от метеорных тел, но все равно некоторые из них, наиболее массивные, способны достичь поверхности Земли и вызвать разрушения. Большой метеоритный кратер в Аризоне (США) образовался около 24000 лет назад при взрыве громадного тела. Диаметр этого кратера больше километра и даже сейчас его глубина достигает приблизительно 200 м, несмотря на его заполнение породой вследствие эрозии. Вокруг Аризонского кратера были в изобилии найдены мелкие железные метеориты, но не удалось обнаружить ни одного осколка ни путём бурения, ни с помощью радиодетектирования. Железный метеорит взорвался при ударе о землю с силой, намного превышающей силу любых известных взрывов. Тунгусский метеорит 1908 г. Взорвался с такой силой, что деревья были повалены на расстоянии до 30 км от места взрыва. В этом случае упавшее тело было почти наверняка обломком кометы малой плотности, разрушившимся в атмосфере на высоте нескольких километров. В 1947 г. На Дальнем Востоке упал большой железный (Сихотэ-Алиньский) метеорит, образовавший большое число кратеров. В 1972 г. Поблизости от западного побережья Северной Америки, на расстоянии всего лишь 50 км от земли, понеслось тело массой не меньше 100 т. Если в текущем столетии были зарегистрированы падения двух крупных метеоритов на суше и одно падение вблизи побережья , то над океаном таких событий, которые остались незамеченными, возможно, было в несколько раз больше.