1. Что такое астероиды, где они расположены, каковы их орбиты и размеры? Назовите наиболее крупные из них. Период обращения Плутона равен 250 земных лет, так каково его расстояние от Солнца и какую часть своего «года» он прошел, после того как его открыли?

Астероиды (малые планеты). Эти космические тела отличаются от планет прежде всего своими размерами. Так, самая большая из маленьких планет Церера имеет в поперечнике 995 км; следующая за ней (по размеру): Палада-560 км, Хигея - 380 км, Психея - 240 км и т.д. Для сравнения можно указать, что наименьшая из больших планет Меркурий имеет диаметр 4878 км, т.е. в 5 раз превосходит - поперечник Цереры, а массы их различаются во многие сотни раз.

Общее число малых планет, доступных наблюдению современными телескопами, определяется в 40 тыс., но общая их масса в 1 тыс. раз меньше массы Земли.

Движение малых планет вокруг Солнца происходит по эллиптическим орбитам, но более вытянутым (средний эксцентриситет орбит у них 0,51), чем у больших планет, а наклон орбитальных плоскостей к эклептике у них больше, чем у больших планет (средний угол 9,54). Основная масса планет вращается вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера, образуя так называемый пояс астероидов. Но имеются и малые планеты, орбиты которых располагаются ближе к Солнцу, чем орбита Меркурия. Самые же далекие находятся за Юпитером и даже за Сатурном.[1]

Все открытые до сих пор астероиды обладают прямым движением: они движутся вокруг Солнца в ту же сторону, что и большие планеты. У подавляющего большинство астероидов орбиты не сильно отличаются друг от друга: они слабо эксцентричны и имеют малый или умеренный наклон. Поэтому-то почти все астероиды движутся, оставаясь в пределах тороидального кольца.

По среднесуточному движению астероиды принято делить на пять групп. Многочисленные по составу группы I, II и III включают астероиды, движущиеся во внешней (наиболее удаленной от Солнца), центральной и внутренней зонах кольца. В центральной зоне преобладают астероиды сферической подсистемы, тогда как во внутренней зоне 3/4 астероидов являются членами плоской системы.

По мере перехода от внутренней зоны к внешней становиться все больше круговых орбит. Все астероиды кольца находятся, если так можно выразиться, в безопасной зоне. Но и они все время испытывают возмущения со стороны планет. Самое сильное воздействие на них оказывает, конечно, Юпитер. Поэтому их орбиты непрерывно меняются. Если быть совсем строгими, то нужно сказать, что путь астероида в пространстве представляет собой не эллипсы, а незамкнутые квазиэллиптические витки, укладывающиеся рядом друг с другом. Лишь изредка - при сближении с планетой - витки заметно отклоняются один от другого. Планеты возмущают, конечно, движение не только астероидов, но и друг друга. Однако возмущения, испытываемые самими планетами, малы и не меняют структуры Солнечной системы. Они не могут привести к столкновению планет друг с другом. С астероидами дело обстоит иначе. Из-за больших эксцентриситетов и наклонов орбит астероидов, под действием планетных возмущений меняются довольно сильно пути, даже в том случае, если не происходит сближений с планетами. Астероиды отклоняются со своего пути то в одну, то в другую сторону. Чем дальше, тем больше становятся эти отклонения: ведь планеты непрерывно "тянут" астероид, каждая к себе, но сильнее всех Юпитер. Планетные возмущения приводят к непрерывному перемешиванию орбит астероидов, а стало быть, и к перемешиванию движущихся по ним объектов. Это дает возможным столкновения астероидов друг с другом. За минувшие 4,5 млрд. лет, с тех пор как существуют астероиды, они испытали много столкновений друг с другом. Наклоны и эксцентриситеты орбит приводят к не параллельности их взаимных движений, скорость, с которой астероиды проносятся один мимо другого, в среднем составляет около 5 км/с. Столкновения с такими скоростями ведут к разрушению тел.

Расстояние от Земли до солнца равно 150 млн. км. Можно составить пропорцию и найти расстояние от Плутона до Солнца.

Отсюда млн. км.

Плутон был открыт в 1930 году. До сегодняшнего дня прошло уже 75 лет. Таким образом, он прошел за это время 75/250 = 0,3 своего «года».

Третий закон Кеплера гласит: Квадраты времен обращения планеты вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца.

Так, применительно к нашему условию:

Отсюда: ; l = 375 * 10⁸ млн. км.

3. Чем отличается естественнонаучный подход от философского?

Классический естественнонаучный подход к исследованию мира сложился в течение 14 - 18 веков и связан с именами У.Оккама, Ф.Бэкона, Г.Галилея, И.Ньютона. Этот подход, прежде всего, настаивает на материальности "мира, изучаемого научными методами". (По И.Ньютону: "Вездесущие Божие влияния на движение небесных тел не оказывает"). Далее постулируется единство самого мира и законов, описывающих его развитие.

Классическая естественнонаучная методология настаивает на "аквариумной" картине мира - однородное и изотропное пространство, однородное время, измеряемое через повторяющиеся события, постулат причинности, согласно которому будущее не может оказывать влияние на прошлое. Хотя сейчас взгляды физики на пространство и время стали значительно шире, эта модель остается базисной, и все более сложные мыслеконструкции создаются как отклонения от нее.

Важную роль в современной физической картине мира играет антропный принцип, согласно которому параметры Вселенной выбраны таким образом, чтобы обеспечить существование наблюдателя (то есть, жизни в той форме, в которой она известна нам).

Естественные науки создавались в рамках эмпирического подхода, что подразумевает опытный характер естественнонаучного знания, наличие механизма измерения (сравнения с эталоном) и измеримость подавляющего большинства величин, носящих в данной науке структурообразующий характер, представление о погрешности измерения и статистическом характере любых экспериментальных материалов.

Понятие измеримости настоятельно требует введения систем отсчета (в том числе - понятийных), которые накладывают ограничения на процесс измерения. Поскольку такие системы вводятся субъективно и подчиняются, прежде всего, соображениям удобства пользователя, законы природы должны быть инвариантны относительно преобразований от одних систем отсчета к другим.

Не будет преувеличением сказать, что вся современная наука есть результат обобщения этого фундаментального принципа (принципа относительности). Он был сформулирован Галилеем и Ньютоном для законов механики и инерциальных систем отсчета, обобщен Эйнштейном на физические законы и ускоренные системы отсчета. В науке XX столетия принцип относительности принял форму постулата о калибровочной инвариантности законов природы.[2]

Философский подход есть поиск и нахождение человеком ответов на главные вопросы бытия. Философский подход - значит максимально универсальный, всеохватывающий, основательный, фундаментальный, существенный.

Философский подход - это обостренно совестливое отношение человека к окружающему его миру.

Философский подход имеет дело с главными вопросами бытия человека. Но что это значит - главные вопросы? С учетом многовекового развития философии вполне актуальны такие интерпретации: речь идет о проблемах, которые можно назвать 1) главными, 2) наиболее существенными, 3) фундаментальными, 4) всеохватными, не знающими исключений, 5) объединяющими жизнь людей в единое целое, в поле действия которого попадает каждый человек.

Естественная наука - это деятельность человека по выработке, систематизации и проверке знаний о природе и ее законах. Естественнонаучным является не всякое знание, а лишь хорошо проверенное и обоснованное.

Научное знание не отменяет обыденное знание, нужны оба. Знание становится научным тогда, когда оно достигает некоторого, достаточно высокого уровня развития, порога научности.

В естественной науке различают два уровня исследований - эмпирический и теоретический. Эмпирическое исследование направлено непосредственно на изучаемый объект природы и реализуется посредством наблюдения и эксперимента. Теоретическое исследование концентрируется вокруг универсальных законов и гипотез.

Философский подход - это подход к миру человека (личность, общество) и миру природы в их взаимосвязи. Несколько сложнее понять, что в некотором роде промежуточное положение между человеком и природой занимает мир символов. Речь идет о продуктах деятельности человека. Мы назвали их символами, поскольку символ по определению есть то, в чем дано иное; человек в результатах своей деятельности приумножает себя, существуя в этих результатах, конечно же, не буквально, физически зримо, а символически. Например, в продуктах труда узнаются их создатели.

Таким образом, философский подход - это три сферы бытия: мир человеческого, мир символического и мир природы. Ясно, что эти три сферы бытия связаны друг с другом. Так, нет человека без природы, а символов без человека. Философский подход можно представить в виде схемы, где двусторонние стрелки выражают многообразие связей:

Мир человека <-> Мир символов <-> Мир природы.

Каждый из этих миров в свою очередь каким-то образом структурирован. Мир человека - это многообразие чувств, эмоций, мыслей, различного рода общественных отношений; мир символов - это труд, язык, культура; мир природы - физические, химические, биологические явления. Философский подход, таким образом, в отличии от естественнонаучного не описывает отдельный из этих миров, но ищет взаимосвязь троих.

5. Каковы источники энергии звезд? Дайте представление о эволюции обычных звезд и красных гигантов и поясните процессы, происходящие в их недрах. Какова перспектива эволюции Солнца?

Центральным в проблеме эволюции звезд является вопрос об источниках их энергии. В самом деле, откуда, например, берется огромное количество энергии, необходимой для поддержания излучения Солнца примерно на наблюдаемом уровне в течение нескольких миллиардов лет? Ежесекундно Солнце излучает 4*10³³ эрг, а за 3 млрд. лет оно излучило 4*10⁵⁰ эрг. Несомненно, что возраст Солнца около 5 млрд. лет. Это следует хотя бы из современных оценок возраста Земли различными радиоактивными методами. Вряд ли Солнце «моложе» Земли. В прошлом веке и в начале этого века предлагались различные гипотезы о природе источников энергии Солнца и звезд. Некоторые ученые, например, считали, что источником солнечной энергии является непрерывное выпадение на его поверхность метеоров, другие искали источник в непрерывном сжатии Солнца. Освобождающаяся при таком процессе потенциальная энергия могла бы, при некоторых условиях, перейти в излучение. Как мы увидим ниже, этот источник на раннем этапе эволюции звезды может быть довольно эффективным, но он никак не может обеспечить излучение Солнца в течение требуемого времени.[3]

Успехи ядерной физики позволили решить проблему источников звездной энергии еще в конце тридцатых годов нашего столетия. Таким источником являются термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при господствующей там очень высокой температуре (порядка десяти миллионов градусов).

В результате этих реакций, скорость которых сильно зависит от температуры, протоны превращаются в ядра гелия, а освобождающаяся энергия медленно «просачивается» сквозь недра звезд и в конце концов, значительно трансформированная, излучается в мировое пространство. Это исключительно мощный источник. Если предположить, что первоначально Солнце состояло только из водорода, который в результате термоядерных реакций целиком превратился в гелий, то выделившееся количество энергии составит примерно 1052 эрг. Таким образом, для поддержания излучения на наблюдаемом уровне в течение миллиардов лет достаточно, чтобы Солнце «израсходовало» не свыше 10% своего первоначального запаса водорода.

Мы можем представить картину эволюции какой-нибудь звезды следующим образом. По некоторым причинам (их можно указать несколько) начало конденсироваться облако межзвездной газово-пылевой среды. Довольно скоро (разумеется, по астрономическим масштабам!) под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется сравнительно плотный непрозрачный газовый шар. Строго говоря, этот шар еще нельзя назвать звездой, так как в его центральных областях температура недостаточна для того, чтобы начались термоядерные реакции. Давление газа внутри шара не в состоянии пока уравновесить силы притяжения отдельных его частей, поэтому он будет непрерывно сжиматься.

Обычно одновременно образуется не одна протозвезда, а более или менее многочисленная группа их. В дальнейшем эти группы становятся звездными ассоциациями и скоплениями, хорошо известными астрономам. Весьма вероятно, что на этом самом раннем этапе эволюции звезды вокруг нее образуются сгустки с меньшей массой, которые затем постепенно превращаются в планеты.

При сжатии протозвезды температура ее повышается и значительная часть освобождающейся потенциальной энергии излучается в окружающее пространство. Так как размеры сжимающегося газового шара очень велики, то излучение с единицы его поверхности будет незначительным. Чтобы пройти эту самую раннюю стадию своей эволюции, протозвездам нужно сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды больше солнечной, нужно всего лишь несколько миллионов лет, если меньше - несколько сот миллионов лет. Так как время эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту самую раннюю фазу развития звезды обнаружить трудно. Все же звезды в такой стадии, по-видимому, наблюдаются. Мы имеем в виду очень интересные звезды типа Т Тельца, обычно погруженные в темные туманности.

Оказавшись на главной последовательности и перестав сжиматься, звезда длительно излучает практически не меняя своего положения на диаграмме «спектр - светимость». Ее излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в центральных областях. Таким образом, главная последовательность представляет собой как бы геометрическое место точек на диаграмме «спектр - светимость», где звезда (в зависимости от ее массы) может длительно и устойчиво излучать благодаря термоядерным реакциям. Место звезды на главной последовательности определяется ее массой.

Что же произойдет со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее ядре «выгорит»? Так как выделение энергии в центральных областях звезды прекращается, температура и давление не могут поддерживаться там на уровне, необходимом для противодействия силе тяготения, сжимающей звезду. Ядро звезды начнет сжиматься, а температура его будет повышаться. Образуется очень плотная горячая область, состоящая из гелия (в который превратился водород) с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в таком состоянии носит название «вырожденного». Он обладает рядом интересных свойств, на которых мы здесь останавливаться не можем. В этой плотной горячей области ядерные реакции происходить не будут, но они будут довольно интенсивно протекать на периферии ядра, в сравнительно тонком слое. Вычисления показывают, что светимость звезды и ее размеры начнут расти. Звезда как бы «разбухает», и начнет «сходить» с главной последовательности, переходя в области красных гигантов. Далее, оказывается, что звезды-гиганты с меньшим содержанием тяжелых элементов будут иметь при одинаковых размерах более высокую светимость. При переходе звезды в стадию красного гиганта скорость ее эволюции значительно увеличивается.

Мощное ультрафиолетовое излучение звезды - ядра планетарной туманности - будет ионизовать атомы в оболочке, возбуждая их свечение. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеется и останется только небольшая очень горячая плотная звезда. Постепенно, довольно медленно остывая, она превратится в белый карлик.

Таким образом, белые карлики как бы «вызревают» внутри звезд - красных гигантов - и «появляются на свет» после отделения наружных слоев гигантских звезд.

После "выгорания" термоядерного топлива в звезде, масса которой сравнима с массой Солнца, в центральной её части (ядре) плотность вещества становится настолько высокой, что свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется вырожденным, а звёзды, из него состоящие, - вырожденными звёздами.

После образования вырожденного ядра термоядерное горение продолжается в источнике вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда переходит в область красных гигантов на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров - в сотни радиусов Солнца - и за время порядка 10-100 тыс. лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка иногда видна как планетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и превращается в белый карлик, в котором силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, обеспечивая тем самым устойчивость звезды. При массе около солнечной радиус белого карлика составляет всего несколько тысяч километров. Средняя плотность вещества в нём часто превышает 109 кг/м³ (тонну на кубический сантиметр!).

Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счёт медленного остывания. Основной запас тепловой энергии белого карлика содержится в колебательных движениях ионов, которые при температуре ниже 15 тыс. кельвинов образуют кристаллическую решётку. Образно говоря, белые карлики - это гигантские горячие кристаллы. Постепенно температура поверхности белого карлика уменьшается и звезда перестаёт быть белой (по цвету) - это скорее уже бурый или коричневый карлик.

Масса белых карликов не может превышать некоторого значения - это так называемый предел Чанд-расекара (по имени американского астрофизика, индийца по происхождению, Субрахманьяна Чандрасека-ра), он равен примерно 1,4 массы Солнца. Если масса звезды больше, давление вырожденных электронов не может противостоять силам гравитации и за считанные секунды происходит катастрофическое сжатие белого карлика - коллапс. В ходе коллапса плотность резко растёт, протоны объединяются с вырожденными электронами и образуют нейтроны (это называется нейтронизацией вещества), а освобождаемую гравитационную энергию уносят в основном нейтрино. Чем же заканчивается этот процесс? По современным представлениям, коллапс может либо остановиться при достижении плотностей порядка Ю'7 кг/м3, когда нейтроны сами становятся вырожденными, - и тогда образуется нейтронная звезда; либо выделяемая энергия полностью разрушает белый карлик - и коллапс по сути дела превращается во взрыв.

Поскольку водород – основная составляющая звездного вещества (около 70% по массе) и поскольку при синтезе гелия выделяется большая часть ядерной энергии, запасенной в веществе, основную часть своей жизни звезды светят, сжигая водород.

Основной способ синтеза альфа-частиц в звездах – так называемая pp-цепочка:

Таким образом, преобладающую роль в образовании энергии звезд играют pp-цепочки. Причина в том, что, как показал внимательный анализ, центральная температура Солнца немного ниже, чем принималось ранее, а рост темпа выделения энергии с температурой у цикла Бете происходит существенно быстрее, чем для pp-цепочек. Однако в звездах с массами, превосходящими 1.2 массы Солнца, доминирует в выделении энергии CN-цикл.

Простой энергетический расчет показал, что в Солнце выгорание водорода в его центральной части займет около 10 млрд. лет. Проблема источников энергии Солнца и подавляющего большинства звезд, в частности, всех звезд так называемой главной последовательности, была тем самым окончательно решена.

[1] Дубнищева Т.Я. Концепции Современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003. – с. 152.

[2] Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. – Новосибирск: СибАГС, 2001. – с. 17.

[3] Небел Б. Наука об окружающем мире. Как устроен мир. – М.: Мир, 2000. – с. 108.