Содержание


1. Каковы свойства времени в классическом естествознании? Как они изменились в связи с созданием теории относительности? Как измеряется время на интервалах, меньших 1с? Какими приборами?  3

2. Как измерили размеры Луны, Земли, Солнца? Как определяются расстояния до звезд? Что такое «параллакс» и «звездная величина»? Каков диапазон расстояний во Вселенной?. 4

3. Поясните понятия «момент силы» и «момент импульса». В каких системах сохраняется момент импульса, почему этот закон тоже относят к разряду «великих законов сохранения»? Дайте примеры его использования. 5

4. Каковы отличия науки от других областей культуры? Как соотносится наука с обыденным знанием, с религией?. 6

5. Какие газы могут считаться идеальными? Какие эмпирические законы характеризуют идеальный газ? Дайте понятие о параметрах идеального газа и изопроцессах. Чем отличается модель реального газа от модели идеального газа?. 8

6. Какими параметрами описывается состояние микрочастицы? Как при этом осуществляется синтез волновых и корпускулярных свойств? Каково отличие в описании состояния в классической и квантовой механике?. 9

7. Какие процессы поддерживают «жизнь» звезд? Дайте представление об эволюции звезд. Почему существенна величина массы звезды?. 9

8. Характеризуйте распространение химических элементов на Земле и в ее биосфере. В чем принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы?. 11

9. Дайте понятия  о простых, сложных, устойчивых, неустойчивых, изолированных и открытых системах, об обратимых и обратимых процессах. Поясните принцип локального равновесия. 13

10. В чем смысл концепции ноосферы и,  каков ее научный статус? Опишите, в чем состоит глобальный экологический кризис, его причины и перспективы преодоления. Что дали человечеству решения на ЭВМ глобальных программ мира?. 14

Список литературы.. 17


1. Каковы свойства времени в классическом естествознании? Как они изменились в связи с созданием теории относительности? Как измеряется время на интервалах, меньших 1с? Какими приборами?

Свойства времени в классическом естествознании были сформулированы в работе И. Ньютона «Математические начала натуральной философии»

Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два типа этих понятий абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику.

-      Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и своей сущности без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью

-      Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительное и, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то час, день, месяц, год

-      Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего.[1]

При таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либо мате­риальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. Эта концепция «черного ящика», о которой уже говорилось выше. Этот взгляд близок к субстан­циональному пониманию пространства и времени, хотя у Ньютона они и не являются настоящими субстанциями, как материя они обладают лишь одним признаком субстанции абсолютной самостоятельностью существования и независимостью от любых конкретных процессов ,но они не обладают другим важнейшим качеством субстанции - способностью порождать различные тела, сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Такую способность Ньютон признавал лишь за материей, которая рассматривалась как совокупность атомов. Правда, материя - тоже вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и время, и привел их в движение. Бог, являясь существом внепространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Он вечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлинной сущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени. Бог существует в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную мудрость и могущество, он создает мир из ничего, творит материю, а вместе с ней пространство и время как условия бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план развития и его существование прекратится, а вместе с миром исчезнут пространство и время. И снова будет только вечность как атрибут Бога и его бесконечная вездесущность. Подобные взгляды выражались в общем виде еще Платоном, Аврелием Августином, Фомой Аквинским и ид последователями, Ньютон также разделял эти взгляды.

В этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержатся глубокие противоречия. Ведь однократный акт сотворения мира и обреченность его на грядущую гибель не соответствует бесконечному могуществу, совершенству и мудрости Бога. Этим божественным атрибутом более соответствовало бы бесконечное множество актов творения самых различных миров, последовательно сменяющих друг друга в пространстве и времени. В каждом из низ реализовывалась бы определенная идея, данная этому миру Богом, а все множество этих идеи создавало бы бесконечное пространство и время. Подобные идеи, высказанные в общем виде еще александрийский теологом Оригеном (Ш в. н.э.) и объявленные вскоре ересью, в новое время развивались в философии Лейбница, выдвинувшего идею о предустановленной гармони в каждом из потенциально возможных миров. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени, которая противостояла  их пониманию как абсолютных и не зависящих ни от чего реальностей, подвластных только Богу.


В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света а вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является иеинерцнальной, то релятивистские эффекты можно заметить и измерить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и эта различие будет  больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столк­новении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле.

Итак, специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Для измерения времени меньше 1с используют т.н. маятниковые часы. Маятниковые часы могли обеспечить точность хода 0,1с. С применением свободного анкерного хода точность маятниковых часов была повышена на порядок. Использование средств электротехники и двух маятников позволило английскому ученому Шорту повысить точность астрономических часов еще на порядок, т. е. достигнуть точности хода 0,001с. Наибольший прогресс в повышении точности входа был достигнут при использовании электронной схемы в сочетании с новыми осцилляторами. Это позволило достигнуть точности измерения секунды до (3-4)*10-11.



2. Как измерили размеры Луны, Земли, Солнца? Как определяются расстояния до звезд? Что такое «параллакс» и «звездная величина»? Каков диапазон расстояний во Вселенной?

Измерение расстояний в астрономии одна из самых важных и трудных задач, так как мы лишены прямого контакта с исследуемыми телами. Однако методы бесконтактных определений расстояний были известны уже давно - это методы параллактических углов. Для измерения расстояния до тел Солнечной системы применяется метод параллакса. ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ПАРАЛЛАКСОМ называют угол, под которым с планеты виден радиус Земли, перпендикулярный лучу зрения.   

    Горизонтальный параллакс - угол между направлениями на светило из точки, из которой оно видно на высоте 0 и из точки, где оно видно на высоте 90. Согласно формуле расстояние до светила равно отношению радиуса Земли к синусу параллактического угла. Однако данная формула не может использоваться на практике, потому, что для работы по ней надо наблюдать светило вблизи горизонта, что практически не возможно ввиду технических трудностей (атмосферные помехи, засветка, рельеф местности). Поэтому обычно пользуются модифицированной формулой, в которой угол называется суточным параллаксом.[2]

   Сейчас для определения расстояния до некоторых тел (Луна, Венера) используют методы радиолокации: посылают радиосигнал на планету, сигнал отражается и фиксируется приёмной антенной. Зная время прохождения сигнала определяют расстояние, с - скорость света.

Пользуясь приведенными соотношениями легко показать, как можно измерить линейные размеры тел солнечной системы, если измерены их угловые размеры.

     Данные формулы, очевидно, не подходят для измерения расстояний до звезд, так как расстояния до звезд чрезвычайно велики по сравнению с радиусом Земли, и параллактический угол будет неизмеримо мал. Зато звезды можно считать неподвижными в течение многих лет, и в качестве базиса параллактического треугольника можно взять радиус земной орбиты. Тогда угол, на который смещается звезда за половину года, называется годичным параллаксом. Впервые методом годичного параллакса измерил расстояние до ВЕГИ в 1835-1837 годах Яков Струве.  Радиус Земли оказывается слишком малым, чтобы служить базисом для измерения параллактического смещения звёзд и расстояния до них. Поэтому пользуются годичным параллаксом вместо горизонтального. Годичным параллаксом звезды называют угол (p), под которым со звезды можно было бы видеть большую полуось земной орбиты, если она перпендикулярна лучу зрения.

Также используется единица расстояния парсек. Парсек – расстояние, с которого большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения видна под углом 1² или расстояние до звезды, которое соответствует параллаксу в 1² .

Расстояние до звезды в парсеках выражается формулой: 1 парсек = 3,26 светового года = 206265 а. е. = 3 * 1011 км. Световой год - расстояние, которое свет проходит за 1год.

Измерением годичного параллакса можно надёжно установить расстояние до звёзд, находящихся не далее 100 парсек или 300 св. лет.

Поблизости от нас есть только одна крупная звездная система - Туманность Андромеды. В небольшие телескопы в Туманности Андромеды можно разглядеть только  ядро и близкие к нему области, хотя ее спиральные рукава простираются на целых 3°,  шесть диаметров Луны. Галактика удалена от нас на 2,3 млн. световых лет, ее масса составляет 300 млрд. масс Солнца.

Другим примером расстояния в (а значит и по массе) галактике является средняя по величине спиральная галактика в созвездии Треугольника. Она занесена в каталог Месье под номером 33.  Галактика располагается гораздо ближе к Туманности Андромеды, а от нас удалена на 2,2- 2,7 млн. световых лет (по разным оценкам). 

Все остальные галактики ближайшего окружения - карликовые эллиптические и неправильные, которые, как мы помним, тоже редко бывают большими. Но две ближайших к нам неправильных галактики можно назвать крупными представителями рода неправильных галактик. Магеллановы Облака являются спутниками нашей Галактики Млечный Путь - это еще два внегалактических объекта, видимые невооруженным глазом, правда, в южном полушарии.



3. Поясните понятия «момент силы» и «момент импульса». В каких системах сохраняется момент импульса, почему этот закон тоже относят к разряду «великих законов сохранения»? Дайте примеры его использования.

Рис. 6.3.Момент силы - векторная величина. Для нахождения ее направления вектора r и F необходимо изобразить исходящими из одной точки и связать с ними правый винт. Затем головку правого винта нужно вращать от r к F. Направление движения винта будет совпадать с вектором M.. Момент силы, действующей на материальную точку. Пусть частица A движется произвольным образом относительно точки О под действием силы F (см. рис. 6.2). Моментом силы частицы относительно закрепленной точки называется величина, равная векторному произведению: M = [r·F],  где r - радиус вектор точки приложения силы F.[3]

  Из повседневного жизненного опыта вы знаете, что действие, которое может совершить движущееся тело, зависит от его массы и скорости. Так, например, если мяч, летящий с большой скоростью, футболист может остановить ногой или головой, то вагон, движущийся по рельсам даже очень медленно, человек не остановит. Теннисный мяч, попадая в человека, вреда не причиняет, однако пуля, которая меньше по массе, но движется с большой скоростью (600—800 м/с), оказывается смертельно опасной. Молотки разной массы могут оказать одинаковое действие на забиваемый гвоздь при условии, что скорость молотка с меньшей массой при ударе должна быть во столько раз больше, во сколько раз меньше массы другого молотка его масса. Таким образом, всякое движущееся тело можно характеризовать физической величиной, учитывающей как массу, так и скорость этого тела. Такую физическую величину назвали импульсом тела или количеством движения.

Импульсом тела называется произведение массы тела на скорость, с которой это тело движется: =m. Так как масса тела скалярная, а скорость - векторная величина, то импульс тела тоже является векторной величиной. Направление вектора импульса тела совпадает с направлением вектора скорости. Единица импульса тела 1 кг·м/с.

Систему тел считают замкнутой, если внешними взаимодействиями по сравнению с внутренними в ней можно пренебречь. Система двух тел, взаимодействующих друг с другом, с хорошей степенью точности рассматривалась как замкнутая система. Надо обратить внимание и на то, что до взаимодействия оба тела покоились: импульс каждого из них был равен нулю. После взаимодействия импульсы тел изменились, но суммарный импульс всей системы все равно остался равным нулю.

Мы приходим к очень важному выводу: суммарный импульс замкнутой системы в результате происходящих внутри системы взаимодействий не меняется. Это один из основных законов природы, называемый законом сохранения импульса. Справедливость этого закона подтверждается всей совокупностью физических знаний.

Сформулированный вывод получили из анализа поведения двух тел, покоившихся до взаимодействия. Оказывается, что этот вывод является совершенно общим, справедливым для любой замкнутой системы, состоящей из произвольного числа тел, взаимодействующих друг с другом произвольным образом. Каковы бы ни были импульсы этих тел до взаимодействия и как бы они ни изменились в результате взаимодействия, их суммарный импульс при этом не меняется.


4. Каковы отличия науки от других областей культуры? Как соотносится наука с обыденным знанием, с религией?

Наука - это деятельность человека по выработке, систематизации и проверке знаний. Научным является не всякое знание, а лишь хорошо проверенное и обоснованное.

Наука зародилась в древности, гении Аристотеля, Архимеда, Евклида тому свидетельство. Но длительное время научное знание находилось в зачаточном состоянии, к тому же даже в этом состоянии оно было доступно немногим. Ситуация изменилась в XVI-XVII вв. Именно в Новое время наука становится широко распространенным явлением, появляется много образованных людей. Становление и развитие индустриального общества без науки невозможно.

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

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

Выделяют следующие критерии научного знания, отличающие ее от обыденного знания, философии и религии:

1. Основная задача научного знания — обнаружение объективных зако­нов действительности — природных, социальных (обще­ственных), законов самого познания, мышления и др.

2. Непосредственная цель и высшая ценность научного  познания — объективная истина, постигаемая преимущественно рациональными средствами и методами, но, разумеет­ся, не без участия живого созерцания.

3. Наука в большей мере, чем другие формы познания ориентирована на то, чтобы быть воплощенной в практике, быть «руководством к действию» по изменению окружаю­щей действительности и управлению реальными процесса­ми.

4. Научное познание в гносеологическом плане есть сложный противоречивый процесс воспроизводства знаний, образующих целостную развивающуюся систему понятий, теорий, гипотез, законов и других идеальных форм, закреп­ленных в языке — естественном или — что более характер­но — искусственном (математическая символика, химиче­ские формулы и  т.п.).

5. В процессе научного познания применяются такие специфические материальные средства как приборы, инст­рументы, другое так называемое «научное оборудование», зачастую очень сложное и дорогостоящее.

6. Научному познанию присущи строгая доказатель­ность, обоснованность полученных результатов, достовер­ность выводов.

Наука начинается с непосредственных наблюдений отдельных событий, фактов, которые фиксируются высказываниями. Эмпирическими высказываниями являются, например, следующие суждения: "Этот камень падает к земле", "Вода в этой кастрюле при нагревании закипела", "Наша кошка родила пятерых котят". А вот выражение "Все тела, выпущенные из рук, падают на землю" уже не является эмпирическим, поскольку невозможно проверить в эксперименте поведение всех тел.

Для ученого очень важно обнаружить некоторую регулярность, ибо обнаруженная регулярность позволяет объяснять и предсказывать явления. Например, врач-онколог обнаружил, что курящие чаще заболевают раком легких, чем некурящие. Отсюда он делает вывод: тот, кто курит, рискует заболеть раком легкого. Заядлому курильщику он посоветует меньше курить или вообще перестать курить. При анализе эмпирических фактов надо учитывать все обстоятельства. Древние греки, веря своим глазам, считали, что тяжелые тела падают на землю с большей скоростью, чем легкие. В XVII веке Галилей установил, что ускорение свободного падения тел на землю (g=9,8м/с2) не зависит от их массы. Греки не знали, что воздушная среда искажает картину падения тел существеннейшим образом.


5. Какие газы могут считаться идеальными? Какие эмпирические законы характеризуют идеальный газ? Дайте понятие о параметрах идеального газа и изопроцессах. Чем отличается модель реального газа от модели идеального газа?

Достаточно pазpеженный газ называется идеальным. Но, что значит - "достаточно pазpеженный"? В газе молекулы совершают свободное (изолированное от других молекул) движение, лишь время от времени сталкиваясь друг с другом или со стенками сосуда. До тех поp пока молекула совершает свободное движение, у нее имеется только кинетическая энергия. Во время столкновения у молекул появляется и потенциальная энергия. Таким образом, полная энергия газа представляет сумму кинетической и потенциальной энергий ее молекул. Чем pазpеженнее газ, тем больше молекул в каждый момент времени пребывает в состоянии свободного движения, имеющих только кинетическую энергию. Следовательно, при pазpежении газа уменьшается доля потенциальной энергии в сравнении с кинетической.

Газ становится достаточно pазpеженным, чтобы считать его идеальным, если потенциальной энергией его молекул можно пpенебpечь в сравнении с кинетической.

Соотношение p = nkT, связывающее давление газа с его температурой и концентрацией молекул для модели идеального газа, молекулы которого взаимодействуют между собой и со стенками сосуда только во время упругих столкновений.

Соотношение  называется уравнением состояния идеального газа.

Если температура газа равна Tн = 273,15 К (0 °С), а давление pн = 1 атм = 1,013·105 Па, то говорят, что газ находится при нормальных условиях. Как следует из уравнения состояния идеального газа, один моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем V0, равный V0 = 0,0224 м3/моль = 22,4 дм3/моль. Это утверждение называется законом Авогадро. Уравнение состояния газа называется уравнением Клапейрона–Менделеева.

Газ может участвовать в различных тепловых процессах, при которых могут изменяться все параметры, описывающие его состояние (p, V и T). Если процесс протекает достаточно медленно, то в любой момент система близка к своему равновесному состоянию. Такие процессы называются квазистатическими. В привычном для нас масштабе времени эти процессы могут протекать и не очень медленно. Например, разрежения и сжатия газа в звуковой волне, происходящие сотни раз в секунду, можно рассматривать как квазистатический процесс. Квазистатические процессы могут быть изображены на диаграмме состояний (например, в координатах p, V) в виде некоторой траектории, каждая точка которой представляет равновесное состояние.

Интерес представляют процессы, в которых один из параметров (p, V или T) остается неизменным. Такие процессы называются изопроцессами.

Изотермическим процессом называют квазистатический процесс, протекающий при постоянной температуре T. Из уравнения состояния идеального газа следует, что при постоянной температуре T и неизменном количестве вещества ν в сосуде произведение давления p газа на его объем V должно оставаться постоянным: .

Изохорный процесс – это процесс квазистатического нагревания или охлаждения газа при постоянном объеме V и при условии, что количество вещества ν в сосуде остается неизменным.

Как следует из уравнения состояния идеального газа, при этих условиях давление газа p изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре: p ~ T или

Изобарным процессом называют квазистатический процесс, протекающий при неизменным давлении p.

Уравнение изобарного процесса для некоторого неизменного количества вещества ν имеет вид:


где V0 – объем газа при температуре 0 °С. Коэффициент α равен (1/273,15) К–1. Его называют температурным коэффициентом объемного расширения газов.

Зависимость объема газа от температуры при неизменном давлении была экспериментально исследована французским физиком Ж. Гей-Люссаком (1862 г.). Поэтому уравнение изобарного процесса называют законом Гей-Люссака.

Экспериментально установленные законы Бойля–Мариотта, Шарля и Гей-Люссака находят объяснение в молекулярно-кинетической теории газов. Они являются следствием уравнения состояния идеального газа.



6. Какими параметрами описывается состояние микрочастицы? Как при этом осуществляется синтез волновых и корпускулярных свойств? Каково отличие в описании состояния в классической и квантовой механике?

Представителям квантовой физики известно что "Элементарным частицам" свойственна универсальная взаимная превращаемость. Хотя в данном случае ни одна частица не может считаться построенной из других частиц, любая частица может появляться и исчезать в результате взаимодействий с другими частицами.

Кроме электрона, протона, фотона и двух нейтрино, все прочие Элементарные частицы нестабильны. Это означает, что почти все "Элементарные частицы" существуют лишь конечный период времени, одни — очень маленький, другие — весьма продолжительный, в конечном итоге испытывая распад.

Фактически "Элементарная частица" - это локальное положение в пространстве определенной характеристики (состояние пространства), проявляющееся дискретно, скачком. При распаде какой-либо "Элементарной частицы" эта "частица" исчезает, а вместо нее появляются другие "Элементарные частицы". Так, "элементарная частица" названная "фотоном" может породить пару других "элементарных частиц" - "электрон-позитрон". При столкновении "элементарных частиц" названных "протоном" и "нейтроном" могут рождаться "элементарные частицы" названные пи-мезонами. Пи-мезон распадается на мюон и нейтрино и т.д.

Положение каждой "Элементарной частицы" определяется тремя координатами, например, х, у, z (3 степени свободы).

Так как поле формируется взаимодействиями между множеством "частиц" то и Описание полей значительно сложнее описания отдельной "Элементарной частицы". Задать, например, электрическое поле - значит, задать его напряжённость E во всех точках пространства образованного взаимодействием многих частиц. Таким образом, для описания поля необходимо знать не 3 (как для "микрочастицы"), а бесконечно большое число величин в каждый из моментов времени; иначе говоря, поле имеет бесконечное число степеней свободы.


7. Какие процессы поддерживают «жизнь» звезд? Дайте представление об эволюции звезд. Почему существенна величина массы звезды?

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.[4]

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. кель-винов 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.


8. Характеризуйте распространение химических элементов на Земле и в ее биосфере. В чем принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы?

Вообще в природе существует много различных форм нахождения химических элементов. В зависимости от целей исследований или обобщений, а также от уровня развития науки разные ученые рассматривали только отдельные из них. Существовали (и существуют) и различные классификации основных форм нахождения химических элементов в природе. Так, В.И. Вернадским первоначально были выделены четыре главнейшие формы:

-      горные породы и минералы (к ним были отнесены природные воды и газы);

-      живое вещество, или биогенная форма нахождения;

-      магматические (существенно силикатные) расплавы;

-      состояние рассеяния.[5]

Природа щедро разбросала свои материальные ресурсы по нашей планете. Но нетрудно заметить зависимость: чаще всего человек использует те веще­ства, запасы сырья которых ограничены, и наоборот, крайне слабо использует такие химические элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны. В самом деле, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: железо (4,6%) , кислород (47%), кремний (27,5%), магний (2,1%), алюминий (8,8%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%), никель. Более 95% всех металлических изделий, конструкций самых разнообразных машин и механиз­мов, транспортных путей производятся из железорудного сырья. Ясно, что такая практика расточительна с точки зрения как ис­черпания ресурсов железа, так и энергетических затрат на пер­вичную обработку железорудного сырья.[6]

Глядя на приведенные здесь данные о распространенности восьми названных химических элементов, можно смело утвер­ждать о больших возможностях в использовании алюминия, а затем магния и, может быть, кальция в создании металлических материалов ближайшего будущего ,но для этого должны быть разработаны энергоэкономичные методы производства алюминия с целью получения хлорида алюминия и восстановле­ния последнего до металла. Этот метод был уже опробован в ря­де стран и дал основание для проектирования алюминиевых за­водов большой мощности. Но выплавка алюминия в масштабах, сопоставимых с производством чугуна, стали и ферросплавов, еще не может быть реализована в самое ближайшее время, по­тому что эта задача должна решаться параллельно с разработкой соответствующих алюминиевых сплавов, способных конкуриро­вать с чугуном, сталью и другими материалами из железорудного сырья.

Широкая распространенность кремния служит посто­янным укором человечеству в смысле чрезвычайно низкой сте­пени использования этого химического элемента в производстве материалов. Силикаты составляют 97% всей массы земной коры. И это дает основание утверждать, что именно они должны быть основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами. Надо, кроме того,  принимать во внимание еще и огромные скопления промышленных отходов силикатного характера, таких, как "пустая порода" при добыче угля, "хвосты" при добыче металлов из руд, зола и шлаки энергетического и металлургического производст­ва. И как раз эти силикаты необходимо в первую очередь превращать в сырье для строительных материалов. С одной стороны, это обещает большие выгоды, так как сырье не надо добывать, оно в готовом виде ждет своего потребителя. А с другой — его утилизация является мерой борьбы с загрязнением окружающей среды.

В космосе наиболее широко распространены лишь два элемента — водород и гелий, все остальные элементы можно рассматри­вать только как дополнение к ним.

Каждый химический элемент, входя в организм, по В.И. Вернадскому, "проходит длинный ряд состояний, входит в ряд соединений, прежде чем выйти из него... Атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, захваченные жизненным вихрем, с трудом возвращаются назад в косную материю". В этой связи интересны данные, полученные при изучении миграции изотопов. Они позволяют считать, например, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется преимущественно за счет воды, а кислород из углекислого газа идет на образование органических соединений. Всего же кислород составляет около 70% массы живого вещества. На долю углерода приходится 18%, а водорода- 10%. Таким образом, в сумме три этих элемента составляют свыше 98% всей массы живых организмов. Еще пять химических элементов (Са, К, N, Na, Si) содержатся (каждый из них) в организмах в десятых долях процента. Естественно, что все остальные химические элементы обычно образуют в живом веществе концентрации от n • 10-2 % до n • 10-12 %.

Считается, что в живом веществе резко преобладает фитомасса, а зоомасса не превышает 2% массы растений. Леса же составляют около 82% фитомассы.


9. Дайте понятия  о простых, сложных, устойчивых, неустойчивых, изолированных и открытых системах, об обратимых и обратимых процессах. Поясните принцип локального равновесия.

Различают простые и сложные системы. Если простую С можно представить как двухкомпонентную целостность типа А ↔ В, где А и В – компоненты С, а ↔ отношение или связь, то со сложными системами дело обстоит иначе. Вопрос: 1) или сложность означает составной характер и иерархичность С; 2) или это запутанность структуры, частей, элементов; 3) или это трудный для описания и понимания объект. Два первых признака не подходят к динамическому хаосу, но ведь его понимание считается сложной проблемой. В биологии еще труднее определить критерии и меру сложности. Однако определенные критерии для системософии были найдены. Г.Николис и И.Пригожин в книге “Познание сложного” указывают, что в синергетике словарь сложности поведения С состоит из таких ключевых слов, как “неравновесность”, “устойчивость”, “бифуркация”, “нарушение симметрии”, “дальний порядок”. Они становятся “основными элементами того, что мы можем назвать новым научным словарем – словарем сложного”.[7]

Устойчивая система – система которая эффективно и быстро адаптируется к изменениям внешней среды. Неустойчивая система – система, которая  разрушается или входит в кризис при изменении условий существования.

Открытая система – система которая обменивается с окружающим миром энергией и веществом. Изолированная система не обменивается веществом и энергией с миром.

 В равновесной термодинамике рассматриваются системы, находящиеся в состоянии равновесия, и изучаются очень медленные (квазистатические, обратимые) процессы, протекающие через непрерывную последовательность равновесных состояний. В этих условиях переменные состояния, например давление и температура, при отсутствии внешних сил не зависят от пространственных координат. С типичным примером неравновесной системы мы встречаемся в обычных потоках газа, когда его плотность, гидродинамическая скорость и температура меняются от точки к точке. Существование градиентов этих параметров приводит к переносу массы, импульса и энергии. Возникающие процессы переноса стараются выровнять неоднородности в распределении плотности, скорости и температуры, приближая систему к равновесию. Процессы переноса характеризуются соответствующими потоками. Например, градиент температуры вызывает поток тепла, градиент плотности - поток массы и т.д. В общем случае говорят, что потоки вызываются обобщенными термодинамическими силами (градиенты температуры или концентрации - простейший пример термодинамических сил). Следует подчеркнуть, что обобщенные термодинамические силы не имеют ничего общего с силами в ньютоновском понимании этого термина.

Появление в системе потоков, вообще говоря, нарушает статистическое равновесие. Например, перенос тепла можно представить как диффузию "горячих" молекул (то есть молекул с большой энергией), а уход горячих молекул нарушает равновесное состояние в системе. Для неравновесных состояний термодинамическое описание, строго говоря, теряет смысл, поскольку, например, нельзя говорить о температуре такого состояния. Вместе с тем в любой физической системе происходят процессы, стремящиеся вернуть систему в состояние равновесия (ведь предоставленная самой себе система всегда приходит в состояние равновесия). Таким образом, происходит своеобразное противоборство между процессами переноса, нарушающими равновесие, и внутренними (релаксационными) процессами, стремящимися его восстановить. В разреженном газе внутренние процессы - это процессы столкновения.

Если процессы, возмущающие равновесие, менее интенсивны, чем процессы, которые формируют равновесие, то можно говорить с определенной степенью точности о локальном равновесии, то есть о равновесии в физически бесконечно малом объеме. Точность такого утверждения будет тем выше, чем меньше отношение скорости изменения состояния за счет внешних условий к скорости восстановления равновесия за счет внутренних релаксационных процессов.

Подчеркнем, что существование локального равновесия еще не означает малости отклонения всей системы от равновесия. Представим себе газ, заключенный между двумя плоскостями, одна из которых поддерживается при температуре 0?С, а другая - при 100?С. Ясно, что эта система с конечным отклонением от равновесия, однако процесс теплопроводности настолько медленный, что в каждом физически бесконечно малом объеме столкновения практически успевают восстановить локальное равновесие.

Идея о локальном термодинамическом равновесии была впервые высказана И. Пригожиным и оказалась очень плодотворной в термодинамике необратимых процессов. Это в первую очередь определяется тем, что для неравновесных состояний можно ввести функции состояния, например энтропию, которые будут зависеть от тех же переменных, от которых они зависят, когда система находится в состоянии равновесия. Это значит, что второе начало термодинамики в форме соотношения Гиббса справедливо и для неравновесных состояний, когда термодинамические функции являются функциями координат и времени.

Обосновать применимость уравнения Гиббса к неравновесным системам в рамках термодинамики необратимых процессов нельзя. Поэтому принцип локального равновесия является постулатом. Справедливость этой гипотезы в рамках феноменологического подхода можно оправдать только совпадением результатов теории с экспериментальными данными. Статистическое рассмотрение позволяет получить условия применимости соотношения Гиббса, но только в частном случае разреженного газа. Соотношение Гиббса для разреженного газа справедливо с точностью до членов первого порядка по параметру, равному отношению скорости внешнего воздействия к скорости установления равновесия, и для моментов времени, больших среднего времени свободного пробега.

Таким образом, принцип локального равновесия ограничивает класс систем, доступных термодинамическому рассмотрению. Однако это ограничение наименее сильное из всех условий, накладываемых остальными постулатами неравновесной термодинамики.



10. В чем смысл концепции ноосферы и,  каков ее научный статус? Опишите, в чем состоит глобальный экологический кризис, его причины и перспективы преодоления. Что дали человечеству решения на ЭВМ глобальных программ мира?

Ноосфера – это новое, эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития.   Впервые   В.И. Вернадский    употребил   этот   термин   в   письме

Б. Личкову в 1936 г.: «Я принимаю идею Леруа о ноосфере. Он развил глубже мою биосферу. Ноосфера создалась в эпоху, когда человеческая мысль охватила биосферу и меняет все процессы по-новому, а в результате активная энергия биосферы увеличивается».

Публично В.И. Вернадский употребил термин «ноосфера» в 1937 г. в докладе «О значении радиогеологии для современной геологии», где писал: «Ноосфера – последнее из многих состояний эволюции биосферы в геологической истории – состояние наших дней….Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное состояние биосферы, то есть мы входим в ноосферу». В этой же статье В.И. Вернадский показал, что факторами последней перестройки биосферы являются научная мысль и коллективный труд человечества, давно уже ставшего мощной геологической силой.[8]

Рассмотренные предложения В.И. Вернадского позволяют более обоснованно ответить на вопрос, что такое «ноосфера», поскольку в них указан ряд конкретных условий, необходимых для ее становления и существования.

Хозяйственная деятельность человечества в течение последнего столетия привела к серьезному загрязнению нашей планеты разнообразными отходами производства. Воздушный бассейн, воды и почва в районах крупных промышленных центров часто содержат токсичные вещества, концентрация которых превышает предельно допустимую (ПДК). Поскольку случаи значительного превышения ПДК достаточно часты и наблюдается рост заболеваемости, связанной с загрязнением природной среды, в последние десятилетия специалисты и средства массовой информации, а вслед за ними и население стали употреблять термин "экологический кризис" (ЭК).

Прежде всего, следует разделить понятия "локальный ЭК" и "глобальный ЭК". Локальный ЭК выражается в местном повышении уровня загрязнений - химических, тепловых, шумовых, электромагнитных - за счет одного или нескольких близко расположенных источников. Как правило, локальный ЭК может быть более или менее легко преодолен административными и / или экономическими мерами, например, за счет совершенствования технологического процесса на предприятии-загрязнителе или за счет его перепрофилирования или даже закрытия. Много более серьезную опасность представляет глобальный ЭК. Он является следствием всей совокупности хозяйственной деятельности нашей цивилизации и проявляется в изменении характеристик природной среды в масштабах планеты и, таким образом, опасен для всего населения Земли. Бороться с глобальным ЭК гораздо труднее, чем с локальным, и эта проблема будет считаться решенной только в случае минимизации загрязнений, произведенных человечеством, до уровня, с которым природа Земли будет в состоянии справиться самостоятельно. В настоящее время глобальный ЭК включает четыре основных компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты суперэкотоксикантами и так называемые озоновые дыры.

в причинах загрязнения окружающей среды. Таких основных причин четыре.

1. Экономические причины. Высокая стоимость очистных сооружений и других средств охраны природы, достигающая иногда трети капиталовложений, зачастую вынуждает хозяйственников и администраторов экономить на природе при строительстве новых производств. Издержки рыночной экономики, связанные с погоней за прибылью, и плановой, отягощенной идеологическими догмами, безусловно ведут к углублению экологического кризиса.

2. Научно-технические причины. Важно понимать, что основная часть потока загрязнений, поступающих в атмосферу, гидросферу и литосферу Земли, обусловлена не стремлением получить максимальную прибыль и не злым умыслом хозяйственников, а объективно существующими научно-техническими трудностями. Следует иметь в виду, что лишь незначительная доля используемых в промышленности химических процессов протекает с количественным выходом и 100%-ной селективностью. В большинстве случаев наряду с целевым продуктом образуется гамма побочных, для полной утилизации которых требуется бесконечно большая сумма капиталовложений. Поэтому на практике устанавливают некоторый допустимый уровень загрязнений, который обеспечивается разумным уровнем затрат. Рассмотрим несколько примеров.

3. Низкий уровень знаний. В наше время люди, принимающие ответственные технические решения и не владеющие при этом основами естественных наук, становятся социально опасными для общества. Многие из уже произошедших и, вероятно, будущих катастроф связаны с малограмотностью технических руководителей и исполнителей. Яркий пример этому - катастрофа продуктопровода, перекачивающего с северных месторождений так называемую широкую фракцию легких углеводородов, способную в случае утечки образовывать взрывоопасную газовоздушную смесь. Большой опыт строительства нефте- и газопроводов отнюдь не гарантирует успеха в строительстве продуктопровода, проектирование, монтаж и эксплуатация которого требуют совершенно иных знаний и мер безопасности. Этих знаний у руководства стройки оказалось недостаточно.

4. Низкий уровень культуры и нравственности. Совершенно очевидно, что для сохранения природы необходимо, чтобы каждый человек, соприкасающийся с промышленным или сельскохозяйственным производством, с бытовыми химическими веществами, был не только экологически грамотен, но и сознавал свою ответственность за действия, которые приносят природе явный вред. К сожалению, нередко можно видеть, как шофер ставит свой автомобиль в чистый ручей для мытья, как матрос выливает за борт ведро солярки, как рабочие в автохозяйствах сжигают старые покрышки, как сельские механизаторы равнодушно взирают на кучу рваных мешков с удобрениями, валяющихся среди поля.

Каковы же пути преодоления глобального экологического кризиса? Чтобы справиться с ним, сначала необходимо, чтобы каждый житель нашей планеты осознал, что экологическая угроза исходит не от безымянного человечества вообще, а от каждого конкретного человека, то есть от нас с вами. Главную роль в решении этой задачи играет экологическое просвещение всех слоев и всех возрастных категорий общества. Следующий шаг - создание эффективного природоохранного законодательства. Помимо национальных законов, регулирующих отношения между предприятиями, государством и его жителями в области ответственности за загрязнение природной среды, важное значение имеют межгосударственные правовые отношения. Действительно, глобальный ЭК касается всей планеты, границы между странами не служат препятствием для перемещения газов, радионуклидов и экотоксикантов. Общая цель национального и международного природоохранного законодательства достаточно ясна: ни отдельному человеку, ни государству в целом не должно быть выгодно загрязнять планету сверх заранее согласованной международным сообществом меры и каждый случай сверхнормативного загрязнения должен преследоваться законом.

Ключевым элементом в борьбе с ЭК является поиск грамотных и действенных научно-технических решений. Это означает, что на экологию должны работать многочисленные институты, лаборатории, университеты, фирмы. Природоохранной экспертизе должно подвергаться любое действующее или реконструируемое предприятие, каждый проект нового строительства независимо от его социальной направленности. И наконец, экологический компонент среднего, специального и высшего образования должен стать неотъемлемой частью подготовки любого специалиста в области техники, естественных наук, медицины, экономики и даже гуманитарных наук. Особое значение имеет экологическая подготовка учителей. Экологический кризис является наибольшей опасностью, стоящей сегодня перед человечеством. Анализ показывает, что другие глобальные кризисы - энергетический, сырьевой, демографический - в своей основе сводятся к проблемам охраны природы. У жителей Земли нет альтернативы: либо они справятся с загрязнением, либо загрязнение расправится с большей частью землян.


Список литературы


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

2.      Дубнищева Т.Я. концепции современного естествознания: УМК. – Новосибирск: НГАЭиУ, 2004.

3.      Дубнищева Т.Я. Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. Пособ. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1998.

4.      Небел Б. Наука об окружающем мире. Как устроен мир. – М.: Мир, 2000.

5.      Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. – Новосибирск: СибАГС, 2001.




[1] Дубнищева Т.Я. Концепции Современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003. – с. 44.

[2] Небел Б. Наука об окружающем мире. Как устроен мир. – М.: Мир, 2000. – с. 105.

[3] Дубнищева Т.Я. Концепции Современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003. – с. 247.

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

[5] Небел Б. Наука об окружающем мире. Как устроен мир. – М.: Мир, 2000. – с. 418.

[6] Дубнищева Т.Я. Концепции Современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003. – с. 487.

[7] Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. – Новосибирск: СибАГС, 2001. – с.69.

[8] Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. – Новосибирск: СибАГС, 2001. – с. 98.