Панорама современного естествознания

Электромагнитная картина мира

Уже в прошлом веке физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны им давно, но изучались обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых искать эту связь и создать единую электромагнитную теорию.
Действительно, датский ученый Эрстед (1777—1851), поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле. 

 Позднее английский физик Майкл Фарадей

(1791—1867), вращая замкнутый контур в магнитном поле, обнаружил, что в нем возникает электрический ток. На основе опытов Фарадея и других ученых английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) создал свою электромагнитную теорию. Таким путем было доказано, что в мире существуют не только вещество в виде тел, но и разнообразные физические поля. Одно из них было известно и во времена Ньютона и теперь называется гравитационным полем, а раньше рассматривалось просто как сила притяжения, возникающая между материальными телами. После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее это была картина классической физики, которая изучала знакомый нам макромир. Положение коренным образом изменилось, когда ученые перешли к исследованию процессов в микромире. Здесь их ожидали новые необычайные открытия и явления.1

Изучение экономики предполагает и предварительное рассмотрение панорамы современного естествознания, поскольку исследование происходящих экономических процессов невозможно без применения современных научных методов для понимания природных явлений как неотъемлемой части жизнедеятельности человека, в том числе и экономической. В то же время рассмотрение тенденций развития современного естествознания позволит различать экстенсивный и интенсивный характер изменения способов познания природы по аналогии с экстенсивным и интенсивным развитием экономики. Так, экстенсивное развитие естествознания обеспечивается проявлением и совершенствованием уже имеющихся способов исследования природы, в то время как интенсивный — возникновением качественно новых способов.

Взаимодействия: близкодействие, дальнодействие

Дальнодействие и близкодействие (или короткодействие) — две концепции классической физики, противоборствовавшие на заре её становления.
Дальноде́йствие — концепция, согласно которой тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту, на любом расстоянии. Такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Примером силы, считавшейся одним из примеров непосредственного действия на расстоянии, можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона, силу кулоновского взаимодействия двух электрических зарядов до создания теории Максвелла и магнитные силы в конкурировавших с максвелловской теорией теориях электромагнетизма Вебера и других.
Близкодействие (или короткодействие) — концепция, согласно которой взаимодействия передаются с помощью особых материальных посредников и с конечной скоростью. Например, в случае электромагнитных взаимодействий таким посредником является электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света.

В современной физике эти понятия иногда используются в другом смысле, а именно, дальнодействующими полями называют гравитационное и электромагнитное (они подчиняются в классическом пределе закону обратных квадратов), а короткодействующими — поля сильного и слабого взаимодействия, которые быстро спадают с расстоянием на больших масштабах, и поэтому проявляются лишь при малых расстояниях между частицами.
Описание теорий.
Принципиальное отличие теории близкодействия, принятой на сегодняшний день, можно рассмотреть на примере взаимодействия двух точечных частиц. Концепция близкодействия постулирует, что в процессе этого взаимодействия частица А испускает другую частицу — С, при этом её скорость и импульс меняются согласно законам сохранения. Частица С поглощается частицей В, что, в свою очередь, приводит к изменению импульса и скорости последней. В результате создается иллюзия непосредственного влияния частиц A и B друг на друга.

В современной физике проводится четкое разделение материи на частицы-участники (или источники) взаимодействий (называемые веществом) и частицы-переносчики взаимодействий (называемые квантами поля). Из четырех видов фундаментальных взаимодействий надежную экспериментальную проверку существования частиц-переносчиков получили три — сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Обнаружение переносчиков гравитационного взаимодействия — так называемых гравитонов — как отдельных частиц на современном уровне техники проблематично. Их существование предсказывается в некоторых квантовых расширениях общей теории относительности и других теориях квантовой гравитации. В сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO были зарегистрированы гравитационные волны. Их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном, а скорость оценена как равная скорости света.

Важным отличием теории близкодействия от теории дальнодействия является наличие максимальной скорости распространения взаимодействий (полей, частиц), совпадающей со скоростью света.

Корпускулярно-волновой дуализм – как универсальное свойство любых материальных объектов

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм (или Ква́нтово-волново́й дуали́зм) — принцип, согласно которому любой физический объект может быть описан как с использованием математического аппарата, основанного на волновых уравнениях, так и с помощью формализма, основанного на представлении об объекте как о частице или как о системе частиц. В частности, волновое уравнение Шрёдингера не накладывает ограничений на массу описываемых им частиц, и следовательно, любой частице, как микро-, так и макро-, может быть поставлена в соответствие волна де Бройля. В этом смысле любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные (квантовые) свойства.

Идея о корпускулярно-волновом дуализме была использована при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. В соответствии с теоремой Эренфеста квантовые аналоги системы канонических уравнений Гамильтона для макрочастиц приводят к обычным уравнениям классической механики. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля.

Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. Характер решаемой задачи диктует выбор используемого подхода: корпускулярного (фотоэффект, эффект Комптона), волнового или термодинамического.

Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведёт себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Сейчас концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как, во-первых, некорректно сравнивать и/или противопоставлять материальный объект (электромагнитное излучение, например) и способ его описания (корпускулярный или волновой); и, во-вторых, число способов описания материального объекта может быть больше двух (корпускулярный, волновой, термодинамический, …), так что сам термин «дуализм» становится неверным. На момент своего возникновения концепция корпускулярно-волнового дуализма служила способом интерпретировать поведение квантовых объектов, подбирая аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

Волновые свойства частиц. Волны Луи де Бройля

Во́лны де Бро́йля — волны вероятности (или волны амплитуды вероятности), определяющие плотность вероятности обнаружения объекта в заданной точке конфигурационного пространства. В соответствии с принятой терминологией говорят, что волны де Бройля связаны с любыми частицами и отражают их волновую природу.

История.
В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотонов корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам — электронам, протонам, атомам и так далее, причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и для фотонов. Таким образом, если частица имеет энергию  E и импульс, абсолютное значение которого равно  p, то с ней связана волна, частота которой \nu = E/h и длина волны \lambda = h/p, где h — постоянная Планка.Эти волны и получили название волн де Бройля.

Революция в естествознании и смена прежней картины мира

Как и всякая революция, революция в науке имеет две основные задачи, которым соответствуют в основном две последовательно сменяющие одна другую ступени ее развития. Первая задача носит негативный характер — разрушить в корне, до основания то старое, отжившее, что мешает дальнейшему продвижению вперед. Вторая задача носит позитивный характер — после разрушения старого на расчищенной почве создать новое, обеспечивающее дальнейшее движение вперед. Когда речь идет о научной революции, старыми, подлежащими коренной ломке являются устаревшие представления, понятия, теории. При создании новых представлений все положительное и ценное, что имелось в прежних представлениях и теориях, не отбрасывается, а сохраняется, получая новое толкование, новое освещение и входя в качестве строительного материала в новые концепции и теории.

Научная революция охватывает прежде всего область теоретических представлений, тогда как сами по себе эмпирические данные и новые факты революции еще не производят. Они ее лишь подготавливают, требуя для своего объяснения и обобщения выработки новых подходов, новых взглядов, новых теоретических концепций.

«Новейшая революция в естествознании», как назвал ее В. И. Ленин,

означала, что та «крайняя грань» наших знаний о веществе, которой достигло научное исследование в течение XIX в., впервые оказалась перейденной в течение трехлетия (1895—1897 гг.), когда были сделаны одно за другим три великих физических открытия: первое (1895 г.) — К. Рентген открыл глубокопроникающие х-лучи, названные рентгеновскими; второе (1896 г.) — А. Беккерель обнаружил явление радиоактивности;

третье (1897 г.) — Дж. Томсон нашел электрон. Все три открытия были связаны с электричеством и магнетизмом: это был либо новый вид электромагнитных волн, либо излучение электрозаряженных частиц. Глубокое значение всех трех открытий, что выяснилось немного позднее, состояло в том, что физика перешагнула ту «крайнюю грань» наших познаний о веществе, о которой Менделеев писал всего за несколько лет перед тем, и вступила во внутриатомную область, показав сложность, разрушимость и делимость атома.

Как известно, по своей структуре атом состоит из двух сфер: внешней- электронной оболочки и внутренней — атомного ядра. Открытия рентгеновских лучей и электрона позволили исследовать оболочку атома, открытие радиоактивности — изучать атомное ядро, хотя само ядро было открыто много позднее. В итоге атом предстал как сложная электрическая система, образованная из элементов, несущих отрицательный заряд, и из положительного заряда, расположение которого внутри атома оставалось пока еще неизвестным.

Особенно важное значение сыграло открытие супругами М. и П. Кюри (1898 г.) нового химического элемента — радия, который обладал значительно сильнее выраженными радиоактивными свойствами, нежели уран, у которого впервые обнаружил это излучение Беккерель. В книге «Материализм и эмпириокритицизм» В. И. Ленин позднее привел выражение «великий революционер-радий» которое было дано новому элементу в связи с тем, что он подрывал старые теоретические воззрения и принципы физики.

В 1902—1903 гг. Э. Резерфорд и Ф. Содди создали первую теорию радиоактивности как спонтанного (самопроизвольного) распада атомов и превращения одних элементов в другие, в данном случае превращения радия в эманацию радия (радон) и гелий. С открытия радия и создания теории радиоактивного распада берет начало ядерная физика. Итак, «новейшая революция в естествознании» наряду с негативной, разрушительной задачей приступила к выполнению своей несравненно более сложной позитивной, созидательной задачи.

Проникновение в глубь атома и доказательство его разрушимости был не единственный путь, по которому пошла научная революция. Она с этого началась, но вскоре же захватила и другие области физики и всего естествознания. Здесь прежде всего надо назвать проникновение в науку идеи, или принципа дискретности, атомизма. Уже открытие электрона свидетельствует о том, что выделенный носитель электричества имеет дискретный характер. Еще раньше это показал X. А. Лоренц,

 

разработав электронную теорию путем введения в максвелловские уравнения электродинамики дискретной величины электрического заряда.

В XIX в. в физике господствовала идея непрерывности, и все ее фундаментальные уравнения были выражены с помощью непрерывных функций (в механике, термодинамике, электродинамике). Исключение составляли молекуляр- но-кинетическая теория газов и статистическая физика, но они вполне уживались с господствовавшей в то время в физике установкой на непрерывность физических процессов. После открытия электрона и разработки электронной теории, а в особенности после создания теории квантов картина резко изменилась: наряду с непрерывностью в физике прочное место заняла концепция ! дискретности, особенно в той новой области, которая касалась микроявлений. Вступив в эту новую для нее область, физика открыла новый, качественно своеобразный микромир и как бы пограничным столбом, стоящим на его границе, квант действия h.

Спустя пять лет А. Эйнштейн (1905 г.) ввел понятие кванта света, или фотона («атома» света), величина которого представляла собой произведение кванта действия h на частоту колебаний v (т. е. hv). В итоге этого обнаружилась глубоко противоречивая природа света: с одной стороны, волновая (непрерывная), как это установила классическая оптика, с другой стороны — дискретная (прерывистая), как это открыла квантовая физика. Однако обе эти противоположные стороны не были приведены еще к внутреннему единству, а как бы сосуществовали одна рядом с другой, разделив между собой всю область оптики: та ее часть, которая изучала распространение света, опиралась на прежнюю волновую теорию, поскольку свет распространялся волнообразно как непрерывное образование; та же часть оптики, которая изучала излучение и поглощение света, опиралась на новую квантовую теорию, поскольку эти процессы происходили как прерывистые (свет излучался и поглощался определенными порция- 1 и). Такое положение в физике сохранялось почти до конца первой четверти XX в.

Важно указать, что идея дискретности, а значит, и скачкообразности явлений природы как раз в это время стала проникать и в биологию, а именно в учение о наследственности (генетику). Еще в 1865 г. Г. И. Мендель открыл законы наследственности, показав, что они носят статисти

ческий характер и что, следовательно, в основе этого явления лежат какие-то дискретные процессы. Но тогда это открытие прошло незамеченным. На рубеже XIX и XX вв. биологи вновь «открыли» Менделя, дополнив его законы гипотезой А. Вейсмана о «зародышевой плазме», состоящей из множества «детерминант», учением X. де Фриза о скачкообразных «мутациях», гипотезой о «генах» В. JI. Иогансена. Вскоре же все эти воззрения объединила хромосомная теория наследственности Т. X. Моргана, которая на передний план поставила идею дискретности вещественного носителя наследственности. Тем самым и биология оказалась в фарватере общих с новой физикой идей.

Из теории Максвелла, подтвержденной и проверенной на опыте Герцем, следовало, что существуют электромагнитные волны большой длины. А. С. Попов еще в конце 80-х годов XIX Е. начал их изучать ы в 1895 г. изобрел радио, которое стало одним из первых и весьма важных практических приложений «новейшей революции в естествознании». В 1896— 1897 гг. изобретение «беспроволочного телеграфа» стал разрабатывать дальше и продвигать в жизнь Г. Маркони.

Из теории Максвелла вытекало также, что электромагнитные волны (а значит, и свет) должны оказывать давление на тела. В 1899—1900 гг. П. Н. Лебедев измерил величину этого давления экспериментально и тем самым на деле открыл существование светового давления.

Для физики XIX в. (да и более раннего периода) был характерен резкий разрыв между двумя основными физическими видами материи — веществом и светом (полем). Этот разрыв проявлялся прежде всего в следующих трех пунктах. Во-первых, в таком фундаментальном признаке, как наличие и отсутствие свойства массы: вещество считалось всегда весомым, обладающим массой, а свет — невесомым, следовательно, не обладающим массой. Открытие Лебедева показало, что если свет оказывает давление на тела, то значит, он должен обладать массой, как и все вещественные объекты природы. В результате в этом пункте разрыв между веществом и светом стал ликвидироваться. Возникло понятие электромагнитной массы, качественно отличной от обычной, механической. Во- вторых, вещество рассматривалось как построенное из атомов, следовательно, обладающее дискретным, прерывистым строением; свет же в XIX в. трактовался как волнообразный процесс, как непрерывное образование. Благодаря квантовой теории Планка и понятию фотона и в этом пункте прежний разрыв между веществом и светом начал исчезать, хотя полная его ликвидация даже в оптике сильно затянулась, не говоря уже о распространении идеи непрерывности, волнообразности на частицы вещества. Это произошло значительно позднее, на рубеже первой и второй четверти XX в. благодаря созданию квантовой механики.

Наконец, в-третьих, вещество и свет трактовали как неспособные к взаимным превращениям и переходам и только гораздо позже ядерная физика доказала наличие таких превращений (рождение и аннигиляции «пары», «дефект массы»), В основе таких превращений (ядерных реакций) лежал фундаментальный закон физики, открытый А. Эйнштейном (1905 г.) и гласящий, ч то в общем случае для любого тела полная внутренняя энергия Е равна его массе т, умноженной на квадрат скорости света с2: Е = тс2. Этот закон Эйнштейн вывел теоретически как следствие из созданной им теории относительности (из ее частного принципа). Замечательно, что Эйнштейн прозорливо указал в том же 1905 г.: «Не исключена возможность того, что проверка теории может удасться для тел, у которых содержание энергии в высшей степени изменчиво (например, у солей радия)» [2, с. 178].

В дальнейшем закон Эйнштейна, действительно, стал основным для ядерной физики.

В конце XIX в. проявилась тесная связь физики и химии. Прежде всего валентность уже истолковывали в смысле ионообразования — приобретения или потери валентных электронов. В книге «Материализм и эмпириокритицизм» В. И. Ленин так охарактеризовал состояние этой проблемы: «С каждым днем становится вероятнее, что химическое сродство сводится к электрическим процессам»  .

Дж. Томсон создал статическую модель атома, где неподвижные электроны были как бы вкраплены в размазанный по объему всего атома положительный электрический заряд. При этом была сделана попытка располагать электроны концентрическими кольцами, каждое из которых отвечало определенному периоду менделеевской периодической системы элементов.

Наряду со статической моделью атома были предложены динамические модели, исходящие из мысли о движущихся электронах внутри атома.  

В. И. Ленин писал по этому поводу: «Электрон относится к атому, как точка в этой книге к объему здания в 30 сажен длины, 15 — ширины и 7 V2 — высоты (Лодж), он двигается с быстротой до 270 ООО километров в секунду, его масса меняется с его быстротой, он делает 500 триллионов оборотов в секунду,— все это много мудренее старой механики, но все это есть движение материи в пространстве и во времени» 9.

В этих положениях складывались уже первые черты будущей электромагнитной картины мира, которая пришла на смену прежней механической. Сопоставляя обе эти физические картины мира, Ленин писал: «Мир есть движущаяся материя... и законы движения этой материи отражает механика по отношению к медленным движениям, электромагнетическая теория — по отношению к движениям быстрым...» 10.

Несмотря на то что химия уже в начале XX в. испытывала огромное влияние со стороны революционизирующейся физики, тем не менее главное достижение химии конца XIX в. — периодический закон химических элементов, открытый Менделеевым, оставался, по существу, вне влияния новейших открытий в естествознании. Более того, первое время могло даже показаться, что новые физические открытия находятся в полном несоответствии с этим законом. Сам Менделеев к концу жизни был уверен, что его закон опирается на представление о неделимых атомах и непревращаемых элементах. Открытие электрона в качестве составной части всех вообще атомов и толкование радиоактивности как распада и превращения элементов коренным образом шло вразрез с положением, считавшимся до тех пор краеугольным камнем периодического закона.

Более того, считалось, что на каждое место в периодической системе элементов может приходиться только один элемент. Теперь же было установлено три различных радиоактивных ряда — урана (радия), тория и актиния. И выяснилось, что на последние 11 мест периодической системы приходится по меньшей мере три десятка различных химических элементов, членов названных радиоактивных рядов, причем некоторые члены разных рядов оказывались химически почти тождественными между собой. Все это совершенно не укладывалось в сложившееся уже представление о периодичности элементов в химии.

Так, в течение первых 15 лет развертывалась «новейшая революция в естествознании», захватив в первую очередь физику и через нее влиявшая на химию и другие естественные науки. Уже с первых ее шагов определилось, что лидером естествознания стала на этот раз физика, точнее говоря, субатомная физика прежде всего. Этим естествознание наступившей новой исторической эпохи существенно отличалось от естествознания

XIX     в., когда лидером развития естествознания была группа наук и среди них прежде всего химия, физика и биология. Физика сохраняла свое лидерство до середины XX в., когда в обстановке развернувшейся научно-технической революции ей пришлось делить первое место с группой других наук.

Принцип дополнительности

Принцип дополнительности — один из важнейших методологических и эвристических принципов науки, а также один из важнейших принципов квантовой механики, сформулированный в 1927 году Нильсом Бором. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и энергетически-импульсная картины.

Принцип дополнительности лёг в основу так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики и анализа процесса измерения характеристик микрообъектов. Согласно этой интерпретации, заимствованные из классической физики, динамические характеристики микрочастицы (её координата, импульс, энергия и др.) вовсе не присущи частице самой по себе. Смысл и определённое значение той или иной характеристики электрона, например, его импульса, раскрываются во взаимосвязи с классическими объектами, для которых эти величины имеют определённый смысл и все одновременно могут иметь определённое значение (такой классический объект условно называется измерительным прибором). Роль принципа дополнительности оказалась столь существенной, что Паули даже предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности», по аналогии с теорией относительности.

Применение принципа дополнительности со временем привело к созданию концепции дополнительности, охватывающей не только физику, но и биологию, психологию, культурологию, гуманитарное знание в целом. Впервые понятие «дополнительности» было использовано американским психологом Уильямом Джеймсом, который обозначал им отношение взаимоисключения. Именно психологические труды Уильяма Джеймса, наряду с интерпретацией философии Кьеркегора датским философом Х. Гёффдингом, вдохновили Бора на создание концепции дополнительности.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга) в квантовой механике — фундаментальное соображение (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих систему квантовых наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Более доступно он звучит так: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Соотношение неопределённостей задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней физической квантовой механики. Является следствием принципа корпускулярно-волнового дуализма.

Принцип суперпозиции

Для электрического поля справедлив принцип суперпозиции: в каждой точке PP пространства напряженность электрического поля E∑→,E∑→, созданнного в этой точке всеми источниками электрических полей, равна векторной сумме напряженностей электрических полей Ek→Ek→, созданных в этой точке всеми источниками электрических полей:

E∑→=E1→+E2→+E3→+…=∑Ek→E∑→=E1→+E2→+E3→+…=∑Ek→

На рисунке ниже изображена картина силовых линий результирующего электрического поля двух точечных зарядов и двух заряженных плоскостей.

Принципы симметрии

Симметрия, симметрично протекающие процессы широко распространены в природе. Наиболее наглядным и часто приводимым примером симметрии служит снежинка: угол между гранями снежинки составляет 120, потому что в молекуле воды два атома водорода образуют угол около 120 с вершиной в атоме кислорода. Кристаллическая решетка льда состоит из множества таких молекул, расположенных с удивительной правильностью, и отражает их симметрию.

Симметрии мы можем наблюдать повсюду в процессах, явлениях, объектах окружающего нас мира: день   — ночь, восход   — заход, прилив   — отлив, положительный и отрицательный электрический заряды, северный и южный полюса, симметричное строение растений и животных. Симметрия имеет место и в искусстве стихосложения.

  В естественнонаучных теориях и математике существует множество симметрии. Учение о симметрии, как известно, исторически было разработано, главным образом, минерологами и математиками. Математика описывает симметрию при помощи теории групп, относящейся к высшим разделам алгебры. Значительный вклад в ее разработку внесла выдающаяся женщина-математик Эмми Нетер (1882–1935).

Теория групп   — это одно из многих созданий математики XIX  в., нашедших широкое применение в науке. Она   является неотъемлемой частью физики и химии, и прежде всего разделов этих наук, исследующих тонкие симметрии молекул и кристаллов и их энергетических состояний.

Группа симметрии любого предмета состоит из операций, которые можно производить над ним: поворотов, отражений в плоскости и т. д.

Бесконечно повторяющаяся решетка может обладать симметрией, как и любой предмет. Операции симметрии, применимые к предметам, распространяются и на бесконечные решетки. Вместе с тем такие решетки остаются внешне неизменными под действием ряда других операций симметрии. Одна из них   — «трансляция»   — сдвиг решетки в каком-то направлении. Каждую решетку можно разделить на повторяющиеся ячейки. Сдвиг на одну ячейку   — операция симметрии.

Принцип симметрии лежит в основе физики элементарных частиц и проявляется в существовании «пар» — частицы и античастицы, а также во взаимопревращаемости частиц. Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля   — фотоны, и обратный процесс «порождения» пар из фотонов, обладающих достаточно большой энергией. Принцип симметрии заключен в уже упоминавшейся теории кварков, с которой связаны проблемы систематизации элементарных частиц. Сегодня известно множество элементарных частиц, но законы, управляющие их возникновением и свойствами, не ясны. Согласно названной теории (или, вернее сказать, гипотезе) частицы состоят из «кварков» . Их классифицируют на три группы: d -, u - и s -кварки, которые, комбинируясь по три, образуют десять частиц, называемых гиперонами . Такая классификация, основанная на принципах симметрии, правильно предсказывает заряд каждого гиперона.

Самую смелую идею симметрии высказал Альберт Эйнштейн: скорость света должна быть одинаковой для всех наблюдателей независимо от того, с какой скоростью они движутся. Эйнштейн в явном виде сформулировал постулат о симметрии пространства, то есть об эквивалентности направлений и различных точек пространства.

Замечательная идея симметрии заключена в фундаментальной теореме, доказанной Э. Нетер в 1918  году и носящей теперь ее имя. Эта теорема утверждает, что существование любой конкретной симметрии — в пространстве-времени, степенях свободы элемент тарных частиц и физических полей — приводит к соответствующему закону сохранения, причем из этой же теоремы следует и конкретная структура сохраняющейся величины. Согласно теореме Нетер, из инвариантности (неизменности, независимости) относительно сдвига во времени   — сдвиговая симметрия (что выражает физическое свойство равноправия всех моментов времени   — однородность времени)   — следует закон сохранения энергии; относительно пространственных сдвигов (свойство равноправия всех точек пространства   — однородность пространства)   — закон сохранения импульса или количества движения; относительно пространственного вращения   — осевая симметрия (изотропность пространства)   — закон сохранения момента количества движения и другие, подчиняющиеся законам сохранения.

Космология. Космогония

Космого́ния (греч. κοσμογονία; от κόσμος – мир, Вселенная + γονή – рождение) — наука, изучающая происхождение и развитие космических тел и их систем: звёзд и звёздных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы, включая Солнце, планеты со спутниками, астероиды, кометы, метеориты.

Изучение космогонических процессов является одной из главных задач астрофизики. Поскольку все небесные тела возникают и развиваются, идеи об их эволюции тесно связаны с представлениями о природе этих тел вообще. В современной космогонии широко используется методология физики и химии. Современная научная космогония опирается на астрофизику и изучает образование Вселенной, включая появление и развитие астрономических объектов.

Космогония и космология.

Космологией является изучение структуры и изменений в современной Вселенной, в то время как научные области космогонии касаются вопроса происхождения Вселенной. Наблюдения нашей нынешней Вселенной, возможно, не только позволит дать предсказания на будущее, но они также предоставляют ключ к событиям, которые происходили давно, когда … космос только зарождался. Так работа по космологии базируется на астрофизике текущих наблюдений и построение моделей эволюции — космогонии не дублирует, а дополняет астрофизику.

Космогонию можно отличить от космологии, задача которой заключается в изучении Вселенной в целом на протяжении всего её существования. Существует некоторая неопределённость между этими двумя терминами, например, космологический аргумент из теологии о существовании Бога является обращением к космогонии, а не к космологическим идеям. На практике существует научное различие между космологическими и космогоническими идеями. Физическая космология — это наука, которая пытается объяснить все наблюдения, имеющие отношение к развитию и характеристике Вселенной в целом. Вопросы же о том, почему Вселенная ведёт себя таким образом, считаются экстра-научными, хотя и основываются, в том числе, на экстраполяции различных научных теорий на непроверенные или косвенно подтверждённые гипотезы, а также философские или религиозные идеи.

Большой взрыв.

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная в момент образования была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии, называемом космологической сингулярностью.

Общепринятой современной космогонической и космологической гипотезой является теория Большого взрыва. Однако, различные её интерпретации могут давать разные ответы на вопрос об изначальном происхождении ранней вселенной. Обычно предполагается, что началом Вселенной (и времени вообще) является космологическая сингулярность; главным аргументом в её пользу считается теорема Пенроуза. Имеются и другие предположения, например циклическая модель.

Основные представления о мегамире

Между мегамиром и макромиром нет строгой границы. Обычно полагают, что мегамир начи-нается с расстояний около 107 и масс 1020 кг. Опорной точкой начала мегамира может служить Земля (диаметр 1,28?107 м, масса 6?1021 кг). Поскольку мегамир имеет дело с большими рассто-яниями, то для их измерения вводят специальные единицы: астрономическая единица, световой год и парсек.

Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5?1011м.
Световой год – расстояние, которое проходит свет в течение одного года, а именно 9,46?1015м.
Парсек (параллакс-секунда) – расстояние, на котором годичный параллакс земной орбиты (т.е. угол, под которым видна большая полуось земной орбиты, расположенная перпендикулярно лучу зрения) равен одной секунде. Это расстояние равно 206265 а.е. = 3,08?1016 м = 3,26 св. г.
Вселенная – это весь окружающий нас мир. Астрономы и физики обычно подразумевают под этим ту его часть, которая в принципе доступна изучению естественнонаучными методами.

Астрономическая Вселенная, или Метагалактика - это часть Вселенной, доступная наблю-дениям в настоящее время или в обозримом будущем. Небесные тела во Вселенной образуют системы различной сложности. Так Солнце и движущиеся вокруг него 9 планет образуют Солнечную систему. Все планеты – остывшие тела, светящиеся отраженным от Солнца светом.
В ясную ночь мы видим множество звезд, которые составляют лишь ничтожную часть звезд, входящих в нашу Галактику. Основная часть звезд нашей галактики сосредоточена в диске, видимом с Земли «сбоку» в виде туманной полосы, пересекающей небесную сферу – Млечного Пути. Часто говорят, что наша Галактика называется Млечный Путь.
Млечный Путь (наша Галактика) – светлая неровная полоса, опоясывающая небо по большому кругу. Таким нам представляется звездный диск нашей галактики, который мы наблюдаем изнутри, находясь вблизи плоскости диска.

Галактики – это звездные системы той же природы, что и наша Галактика, объединяющие большинство существующих в природе звезд. Помимо звезд и связанных с ними планетных тел, в состав Галактик входит межзвездный газ и пыль. За редкими исключениями, массы Галактик лежат в пределах 108-1012 масс Солнца, размеры - от нескольких тысяч до сотен тысяч световых лет. Силой, которая удерживает звезды одной Галактики вместе, является сила их гравитационного притяжения друг к другу. Ближайшие к нам

Галактики - Большое и Малое Магеллановы Облака, удаленные от нас примерно на 150 тыс. св. лет. Большинство наблюдаемых Галактик можно отнести к одному из трех типов: эллиптические, спиральные и неправильные. Наша Галактика – спиральная. Галактики отличаются как по внешнему виду, так и по структуре, звездному составу и содержанию межзвездного газа.

Все небесные тела имеют свою историю развития. Возраст Вселенной равен 15-20 млрд лет (иногда указывают среднее число – 18 млрд лет). Возраст Солнечной системы оценивается в 5 млрд лет, Земли – 4,5 млрд лет.

Солнечная система. Планеты-гиганты

Солнечная система — планетная система, включающая в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, обращающиеся вокруг Солнца. Она сформировалась путём гравитационного сжатия газопылевого облака примерно 4,57 млрд лет назад.

Бо́льшая часть массы объектов Солнечной системы приходится на Солнце; остальная часть содержится в восьми относительно уединённых планетах, имеющих почти круговые орбиты и располагающихся в пределах почти плоского диска — плоскости эклиптики.

Четыре ближайшие к Солнцу планеты, называемые планетами земной группы, — Меркурий, Венера, Земля[и Марс — состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре более удалённые от Солнца планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (также называемые газовыми гигантами) — намного более массивны, чем планеты земной группы. Крупнейшие планеты Солнечной системы, Юпитер и Сатурн, состоят главным образом из водорода и гелия; меньшие газовые гиганты, Уран и Нептун, помимо водорода и гелия, содержат в составе своих атмосфер метан и угарный газ. Такие планеты выделяются в отдельный класс «ледяных гигантов». Шесть планет из восьми и четыре карликовые планеты имеют естественные спутники. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун окружены кольцами пыли и других частиц.

В Солнечной системе существуют две области, заполненные малыми телами. Пояс астероидов, находящийся между Марсом и Юпитером, схож по составу с планетами земной группы, поскольку состоит из силикатов и металлов. Крупнейшими объектами пояса астероидов являются карликовая планета Церера и астероиды Паллада, Веста и Гигея. За орбитой Нептуна располагаются транснептуновые объекты, состоящие из замёрзшей воды, аммиака и метана, крупнейшими из которых являются Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке, Квавар, Орк и Эрида. В Солнечной системе существуют и другие популяции малых тел, такие как планетные квазиспутники и троянцы, околоземные астероиды, кентавры, дамоклоиды, а также перемещающиеся по системе кометы, метеороиды и космическая пыль.

Солнечный ветер (поток плазмы от Солнца) создаёт пузырь в межзвёздной среде, называемый гелиосферой, который простирается до края рассеянного диска. Гипотетическое облако Оорта, служащее источником долгопериодических комет, может простираться на расстояние примерно в тысячу раз дальше гелиосферы. Солнечная система входит в состав галактики Млечный Путь.

Планеты-гиганты — четыре планеты Солнечной системы (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) расположенные за пределами пояса астероидов. Эти планеты, имеющие ряд сходных физических характеристик, также называют внешними планетами.

Сверху вниз: Нептун, Уран, Сатурн и Юпитер (не в масштабе).

Юпитер.

Юпитер обладает массой в 318 раз больше земной, и в 2,5 раза массивнее всех остальных планет, вместе взятых. Он состоит главным образом из водорода и гелия. Высокая внутренняя температура Юпитера вызывает множество недолгоживущих вихревых структур в его атмосфере, таких как полосы облаков и Большое красное пятно.У Юпитера имеется 67 спутников. Четыре крупнейших — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — схожи с планетами земной группы такими явлениями, как вулканическая активность и внутренний нагрев. Ганимед, крупнейший спутник в Солнечной системе, превосходит по размеру планету Меркурий.

Сатурн.

Сатурн, известный своей обширной системой колец, имеет несколько схожие с Юпитером структуру атмосферы и магнитосферы. Хотя объём Сатурна составляет 60 % юпитерианского, масса (95 масс Земли) — меньше трети юпитерианской; таким образом, Сатурн — наименее плотная планета Солнечной системы (его средняя плотность меньше плотности воды).У Сатурна имеется 62 подтверждённых спутника; два из них — Титан и Энцелад — проявляют признаки геологической активности. Активность эта, однако, не схожа с земной, поскольку в значительной степени обусловлена активностью льда. Титан, превосходящий размерами Меркурий, — единственный спутник в Солнечной системе с плотной атмосферой.

Уран.

Уран с массой в 14 раз больше, чем у Земли, является самой лёгкой из внешних планет. Уникальным среди других планет его делает то, что он вращается «лёжа на боку»: наклон оси его вращения к плоскости эклиптики равен примерно 98°. Если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран больше похож на катящийся шар. Он имеет намного более холодное ядро, чем другие газовые гиганты, и излучает в космос очень мало тепла. У Урана открыты 27 спутников; крупнейшие — Титания, Оберон, Умбриэль, Ариэль и Миранда.

Нептун.

Нептун, хотя и немного меньше Урана, более массивен (17 масс Земли) и поэтому более плотный. Он излучает больше внутреннего тепла, но не так много, как Юпитер или Сатурн.

У Нептуна имеется 14 известных спутников. Крупнейший — Тритон, является геологически активным, с гейзерами жидкого азота. Тритон — единственный крупный спутник, движущийся в обратном направлении. Также Нептун имеет несколько троянских астероидов, которые находятся с ним в резонансе 1:1.

Малые планеты и кометы

Малые планеты Солнечной системы - тела естественного происхождения, вращающиеся вокруг Солнца по собственным орбитам, имеют размер более 50 метров и не относятся к планетам и карликовым планетам. Кроме того, они не должны быть кометами.

В итоге, к малым планетам Солнечной системы как планетоземали (зародыши планет) вроде Весты и Гигеи, так и более мелкие астероиды.

Большинство людей, далёких от астрономии, даже не знают о существовании малых планет Солнечной системы, полагая, что она состоит только из Солнца и 8-9 основных планет. Благодаря СМИ в последние годы люди слышат о сравнительно небольших астероидах, угрожающих Земле, но это не в счёт.

То, что совсем немаленькие небесные тела движутся по собственным орбитам вокруг Солнца, как полноценные планеты, - для подавляющего большинства людей это является настоящим откровением.

На сегодняшний день известно более четырёхсот тысяч малых планет. Согласно некоторым оценкам, общее их число исчисляется миллиардами. (так что если хотите увековечить себя в Космосе - покупайте телескоп, и всё в ваших руках - у первооткрывателя есть право первым предложить имя для открытой планеты).

Небольшие размеры и масса малых планет Солнечной системы не позволяют им удерживать гидростатическое равновесие и иметь округлую форму. Поэтому они имеют форму огромных бесформенных гор, подобно астероидам.

Названия самых крупных малых планет Солнечной системы: 

Планета Церера (диаметр 770 км.) - переведена в группу карликовых планет.

Планета Паллада (диаметр 490 км.)

Астероид Веста (диаметр 385 км.) 

Более мелкие планеты:

Юнона, Астрея, Геба, Ирида, Флора, Метида, Гигея, Парфенопа, Виктория, Эгерия, Ирена, Эвномия, Психея, Фетида, Мельпомена, Фортуна, Массалия, Лютеция, Каллиопа, Талия, Фемида, Фокея, Прозерпина, Эвтерпа, Беллона, Амфитрита, Урания и др.

Комета (от др.-греч. κομήτης, komḗtēs — волосатый, косматый) — небольшое небесное тело, обращающееся вокруг Солнца по коническому сечению с весьма растянутой орбитой. При приближении к Солнцу комета образует кому и иногда хвост из газа и пыли.

Предположительно, долгопериодические кометы прилетают во внутреннюю Солнечную систему из облака Оорта, в котором находится огромное количество кометных ядер. Тела, находящиеся на окраинах Солнечной системы, как правило, состоят из летучих веществ (водяных, метановых и других газов), испаряющихся при подлёте к Солнцу.

На данный момент обнаружено более 400 короткопериодических комет[1]. Из них около 200 наблюдалось в более чем одном прохождении перигелия. Многие из них входят в так называемые семейства. Например, большинство самых короткопериодических комет (их полный оборот вокруг Солнца длится 3—10 лет) образуют семейство Юпитера. Немного малочисленнее семейства Сатурна, Урана и Нептуна (к последнему, в частности, относится знаменитая комета Галлея).

Комета Хейла — Боппа:

Кометы движутся по вытянутым эллиптическим орбитам. Обратите внимание на два различных хвоста.

Кометы, прибывающие из глубины космоса, выглядят как туманные объекты, за которыми тянется хвост, иногда достигающий в длину нескольких миллионов километров. Ядро кометы представляет собой тело из твёрдых частиц, окутанное туманной оболочкой, которая называется комой. Ядро диаметром в несколько километров может иметь вокруг себя кому в 80 тыс. км в поперечнике. Потоки солнечных лучей выбивают частицы газа из комы и отбрасывают их назад, вытягивая в длинный дымчатый хвост, который движется за ней в пространстве.

Яркость комет очень сильно зависит от их расстояния до Солнца. Из всех комет только очень малая часть приближается к Солнцу и Земле настолько, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом. Самые заметные из них иногда называют «большими (великими) кометами».

Многие из наблюдаемых нами метеоров («падающих звёзд») имеют кометное происхождение. Это потерянные кометой частицы, которые сгорают при попадании в атмосферу планет.

Гипотезы о возникновении планетных систем

Выяснение происхождения солнечной системы, то есть образования планет, и в частности Земли, связано с большими трудностями. Основная трудность заключается в том, что мы не знаем пока других подобных систем, хотя они и должны существовать. Действительно, если бы мы наблюдали другие солнечные системы, то, вероятно, среди них оказались бы системы, находящиеся на разных ступенях своего развития. Сравнивая их между собой, мы смогли бы восстановить историю возникновения и развития нашей солнечной системы.

Нельзя забывать и того, что планеты, подобные Земле, даже около ближайших звезд должны светиться так слабо, что и в гигантские современные телескопы их нельзя было бы видеть. Поэтому невидимость таких планет вовсе не является доказательством того, что в действительности они не существуют.

Все же получены данные о существовании невидимых нами очень крупных планет, обращающихся около некоторых звезд. Их присутствие обнаружено по небольшим периодическим отклонениям некоторых звезд от движения по прямой линии под действием притяжения невидимых тел значительно меньшей массы. Частая встречаемость таких систем показывает, что существование солнечных систем - явление не редкое.

В середине XVIII в. немецкий философ Кант впервые выдвинул научное предположение - гипотезу о возникновении солнечной системы. Сходную в некоторых отношениях гипотезу позднее независимо от Канта выдвинул французский ученый Лаплас. Кант считал, что солнечная система возникла из мелких твердых частиц, которые были холодными. Неоднородность хаоса этих частиц вызвала рост имевшихся в них сгущений, а столкновения их друг с другом превратили движения в круговые около наибольшего сгущения, ставшего позднее Солнцем. Меньшие сгущения, образовавшиеся вокруг него, стали планетами.

Лаплас предполагал, что солнечная система образовалась из большой вращающейся газовой туманности. При сжатии туманности в результате охлаждения вращение ее ускорялось, что привело к сплющиванию туманности. При дальнейшем возрастании скорости вращения вдоль экватора сокращающейся туманности начали отделяться одно за другим газовые кольца, сгустившиеся затем в шарообразные планеты. Сила тяготения к центру туманности проявляла себя как центростремительная сила.

При большой скорости вращения сила тяготения не смогла удержать частицы туманности на траектории вращения, и они, двигаясь по инерции (по касательной), стали удаляться от оси вращения. Это вначале вызвало сплющивание туманности, а впоследствии - отделение газовых колец на периферии сокращавшейся в размерах центральной части туманности, которая превратилась затем в Солнце.

Современные данные говорят о том, что планетные системы по целому ряду причин не могли образоваться так, как допускали Лаплас и Кант. Но показанная Кантом и Лапласом возможность постепенного возникновения и развития небесных тел из других форм материи явилась важной поддержкой материалистического объяснения развития Вселенной. К настоящему времени советские ученые развили материалистические идеи Канта об образовании планет из холодных мелких частичек и из газа, основываясь на точном знании законов механики, физики и химии.
Подробнее всего картина происхождения солнечной системы из газово-пылевого облака разработана академиком О. Ю. Шмидтом.
Советские ученые доказали, что вращавшееся вокруг Солнца большое облако, состоявшее из газа и пыли, должно было принять сплошную форму в результате соударений частиц и движения их в газово-пылевой среде. Вследствие взаимных столкновений частицы объединялись в сгущения. Притяжение более мелких частиц большими сгущениями должно было вызывать рост таких сгущений' за счет окружающего вещества. Орбиты сгущений, образовавшихся из сплющенного облака, должны были стать почти круговыми и лежащими почти в одной плоскости. Сгущения явились зародышами планет, в которые они превратились, вобрав в себя почти все вещество из промежутков между их орбитами

Рисунок - Образование планет из газово-пылевого диска.

Доказано, что расстояния между возникшими планетами с учетом закона тяготения должны правильно увеличиваться с удалением от Солнца, как это мы наблюдаем на плане солнечной системы.

Менее ясно происхождение газово-пылевого облака, когда-то окружавшего Солнце. По мнению О. Ю. Шмидта и разделяющих его воззрения ученых, Солнце могло захватить своим притяжением часть такого, еще большего облака, из которого оно ранее само возникло в результате сгущения. Академик В. Г. Фесенков находит более вероятным, что из подобного вращающегося облака возникло путем сгущения само Солнце и что планеты возникли из вторичных сгущений в этом облаке. В дальнейшем, по его расчетам, Солнце сильно уменьшилось в размерах и охладилось до современного состояния.

В настоящее время объяснение всех подробностей строения солнечной системы, исходя из имеющихся гипотез, дать пока нельзя. Это будет сделано в ходе дальнейшего развития науки.

Химические процессы

"Хими́ческая реа́кция" — превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в другие вещества, при которых ядра атомов не меняются,  при этом происходит перераспределение электронов и ядер, и образуются новые химические вещества. В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях не изменяется общее число ядер атомов и изотопный состав химических элементов.

Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные процессы), ионизирующих излучений (радиационно-химические реакции), механического воздействия (механохимические реакции), в низкотемпературной плазме (плазмохимические реакции) и т. п. Взаимодействие молекул между собой происходит по цепному маршруту: ассоциация — электронная изомеризация — диссоциация, в котором активными частицами являются радикалы, ионы, координационно-ненасыщенные соединения. Скорость химической реакции определяется концентрацией активных частиц и разницей между энергиями связи разрываемой и образуемой.
Химические процессы, протекающие в веществе, отличаются и от физических процессов, и от ядерных превращений. В физических процессах каждое из участвующих веществ сохраняет неизменным свой состав (хотя вещества могут образовывать смеси), но могут изменять внешнюю форму или агрегатное состояние.
В химических процессах (химических реакциях) получаются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых элементов. В атомах же участвующих в реакции элементов обязательно происходят видоизменения электронной оболочки.
В ядерных реакциях происходят изменения в атомных ядрах всех участвующих элементов, что приводит к образованию атомов новых элементов.

Реакционная способность веществ

Реакционная способность  — характеристика химической активности веществ, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Например, благородные металлы (Au, Pt) и инертные газы (Не, Ar, Kr, Xe) химически инертны, т. е. у них низкая Р. с.; щелочные металлы (Li, Na, К, Cs) и галогены (F, Cl, Вг, I) химически активны, т. е. обладают высокой Р. с. В органической химии Насыщенные углеводороды характеризуются низкой Р. с., для них возможны немногочисленные реакции (радикальное галогенирование и нитрование, дегидрирование, деструкция с разрывом С—С-связей и некоторые др.), происходящие в жёстких условиях (высокая температура, ультрафиолетовое облучение). Для галогенопроизводных насыщенных углеводородов уже возможны, кроме того, реакции дегидрогалогенирования, нуклеофильного замещения галогена, образования магнийорганических соединений и др., происходящие в мягких условиях. Наличие в молекуле двойных и тройных связей, функциональных групп (гидроксильной —ОН, карбоксильной —СООН, аминогруппы —NH2 и др.) приводит к дальнейшему увеличению Р. с. Количественно Р. с. выражают константами скоростей реакций (см. Кинетика химическая) или константами равновесия в случае обратимых процессов (см. Равновесие химическое). Современные представления о Р. с. основаны на электронной теории валентности (см. Валентность) и на рассмотрении распределения (и смещения под действием реагента) электронной плотности в молекуле. Электронные смещения качественно описываются в терминах индуктивных и мезомерных эффектов (см. Мезомерия), количественно — с применением квантовомеханических расчётов (см. Квантовая химия). Главный фактор, определяющий относительную Р. с. в ряду родственных соединений, — строение молекулы: характер заместителей, их электронное и пространственное влияние на реакционный центр (см. Пространственные затруднения), геометрия молекул (см. Конфигурация молекул, Конформация). Р. с. зависит и от условий реакции (природы среды, присутствия катализаторов или ингибиторов, давления, температуры, облучения и т.п.). Все эти факторы оказывают на скорость реакций различное, а иногда противоположное влияние в зависимости от механизма данной реакции. Количественная связь между константами скорости (или равновесия) в пределах одной реакционной серии может быть представлена корреляционными уравнениями, описывающими изменения констант в зависимости от изменения какого-либо параметра (например, эффекта заместителя — уравнение Гаммета — Тафта, полярности растворителя — уравнение Брёнстеда и т.п.). См. также Реакции химические, Обратимые и необратимые реакции, Скорость химической реакции, Активированный комплекс, Катализ, Ориентации правила, Электронные теории в органической химии, Радикалы свободные.

Энергетика химических процессов

Энергетика химических процессов – часть химической термодинамики (часть общей термодинамики).

Энергетическое состояние химической реакции как системы описывается с использованием следующих характеристик: U-внутренняя энергия, H-энтальпия, S-энтропия, G-энергия Гиббса.
Теплота, которую получает система, идет на приращение внутренней энергии и совершение работы: Q=D U+A. Если система не совершает никакой работы, кроме работы расширения, то Q=D U+pD V. Величина D H=D U+pD V при p=const называется энтальпией реакции. Т.к. внутреннюю энергию тела измерить невозможно (можно измерить только изменение D U), то точно так же невозможно измерить энтальпию тела – в расчетах используется изменение энтальпии D H.
Стандартной энтальпией образования называется изобарный тепловой эффект реакции получения одного моля сложного вещества из простых веществ, взятых в их наиболее устойчивой форме при стандартных условиях (T=298К, p=1 атм., С=1 моль/л). Энтальпия образования простых веществ в их устойчивом состоянии при стандартных условиях принимается равной 0.

Внутреннее строение и история геологического развития Земли

В строении Земли выделяют три основных слоя: земную кору, мантию и ядро.

Земная кора – твердая слоистая внешняя оболочка Земли. Мощность земной коры в планетарном масштабе чрезвычайно мала (в среднем около 35 км). Мощность ее сильно меняется от 5 км под океанами до 70 км под горными сооружениями. На 90 % состоит из 8 химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, калия, натрия, магния. Есть 2 разновидности земной коры – континентальная (более мощная, сложная и имеет 3 слоя – осадочный, гранитный и базальтовый) и океаническая (более тяжелая и преимущественно базальтовая с отсутствием гранитного слоя).

Мантия распространяется на глубину 2900 км. Ее объем составляет 83 % (с ядром – 99 %) объема планеты. Несмотря на высокую температуру (2000 "С), вещество мантии вследствие огромного давления находится в твердом кристаллическом состоянии. Внутри мантии на глубине 100–250 км под континентами и 50-100 км под океанами начинается слой повышенной пластичности вещества, близкого к точке плавления, – астеносфера. Подошва астеносферы находится на глубинах порядка 400 км. Земная кора вместе с верхним твердым слоем мантии над астеносферой называется литосферой. Литосфера – относительно хрупкая оболочка. Она разбита глубинными разломами на крупные блоки – литосферные плиты.

Ядро находится на глубинах от 2900 до 6371 км, т. е. радиус ядра занимает более половины радиуса Земли и имеет мощность примерно 3500 км. Ядро состоит из внешнего и внутреннего слоев. Предполагают, что во внешней части ядра вещество находится в расплавленном подвижном состоянии и в нем изза вращения планеты возникают электрические токи, которые создают магнитное поле Земли; внутренняя часть ядра твердая. Земное ядро состоит из железа с примесью более легких элементов. С глубиной нарастают давление и температура, которая составляет в ядре около 5000 "С.

Слои Земли различаются по химическому составу, что связывают с дифференциацией первичного холодного вещества планеты в условиях его сильного разогрева и частичного расплавления. Предполагают, что при этом более тяжелые элементы (железо, никель и др.) «тонули», а относительно легкие (кремний, алюминий и др.) «всплывали». Первые образовали ядро, вторые – земную кору. Из расплава одновременно выделялись газы и пары воды, которые сформировали первичные атмосферу и гидросферу.

Абсолютный возраст Земли примерно равен 4,6 млрд лет. Возраст древнейших пород Земли – гранитогней-сов, обнаруженных на суше, – равен 3,8–4,0 млрд лет. О событиях геологического прошлого дает представление единая международная геохронологическая шкала. Ее основными временными подразделениями являются эры: архейская, протерозойская, палеозойская, мезозойская, кайнозойская. Древнейший интервал геологического времени, включающий ар-хей и протерозой, называют докембрием (90 % всей геологической истории Земли). Далее выделена палеозойская («древняя жизнь») эра (от 570 до 230 млн лет назад), мезозойская («средняя жизнь») эра (от 230 до 65–67 млн лет назад) и кайнозойская («новая жизнь») эра (от 65–67 млн лет до наших дней). Внутри эр выделяются меньшие временные отрезки – периоды.

Геосферные оболочки

Геосфе́ры (от греч. γῆ — Земля и σφαῖρα — шар) — сферические оболочки (сплошные и прерывистые) формирующие планету Земля.
Геосферы последовательно чередуются, расходясь от центра Земли, пересекаются (проникают друг в друга) в пространстве и времени (переход из одной геосферы в другую), но сохраняют самостоятельность в своём образовании и функционировании. Геосферы связаны друг с другом и образуют стабильную динамическую систему.

Литосфера как абиотическая основа жизни

Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии и переходящая без резкой границы в нижележащую астеносферу. Мощность литосферы составляет от 50 до 200 км.

Породы земной коры делятся на три класса, имеющих различное происхождение:

– магматические породы (гранит, базальт, габбро, туф);

– осадочные породы (мел, известняк, доломит, песок);

– метаморфические породы.

Современная наука позволяет говорить, что первоначально, непосредственно по завершении формирования литосферы, поверхность Земли была холодной (около 0 "С), небо практически безоблачным, разница между температурой дня и ночи достигала порядка 50 "С. Горы имели более изломанные очертания, чем сейчас, склоны были круче, а ущелья глубже. Без морей, рек, ледников, при разреженной безветренной атмосфере процессы эрозии были ничтожны. Зато интенсивный вулканизм порождал в земной коре глубокие разломы, многократно перестраивал, сминал в складки, опускал и поднимал земную поверхность. Потоки лавы образовывали озера, заливали огромные пространства и застывали. В результате вулканической деятельности из недр Земли выделялись газы и водяные пары, постепенно образовавшие атмосферу.

В трещинах и углублениях земной поверхности стала конденсироваться вода, сначала в виде небольших лужиц, постепенно сливавшихся в более крупные водоемы. Со временем образовался первичный океан. Под действием холода и жары, ветра и воды начали разрушаться скалы и отлагаться первые осадочные породы. Примерно 4 млрд лет назад над пустынной Землей, покрывшейся водами, нависли тяжелые густые облака, почти не пропускавшие солнечных лучей. Земную поверхность сотрясали титанические бури и ураганы на фоне нестихающего вулка+низ-ма. Геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни называется катархей. Жизни еще не было, но, как считают многие ученые, уже имелись все предпосылки для ее появления.

Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. К субстратному относят теории происхождения жизни, отправным пунктом которых являются определенный состав элементов органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений. Известно более ста химических элементов, однако основу живых систем составляют только шесть, названные органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая весовая доля в организмах – 97,4 %. Далее следуют 12 элементов, участвующих в физиологически важных компонентах биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт (весовая доля в организмах – 1,6 %). Еще 20 участвуют в работе отдельных биосистем, участие остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий, никель, а углерод занимает лишь 16-ое место. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Следовательно, геохимия не играет существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.

Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая

Экологические функции литосферы — всё многообразие функций, определяющих и отражающих роль и значение литосферы, включая подземные воды, нефть, газы, геофизические поля и протекающие в ней геологические процессы, в жизнеобеспечении биоты и, главным образом, человеческого сообщества.

Термин и понятие «экологические функции литосферы» были введены в 1994 г. В. Т. Трофимовым и Д. Г. Зилингом.

Знания об экологических функциях (свойствах) литосферы составляют предмет исследования новой науки геологического цикла — экологической геологии.

Ресурсная экологическая функция литосферы определяет роль минеральных, органических и органоминеральных ресурсов и геологического пространства литосферы для жизни и деятельности биоты как в качестве биогеоценоза, так и социальной структуры.

Геодинамическая экологическая функция литосферы отражает свойства литосферы, влияющие на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные процессы и явления.

Геофизико-геохимическая и географическая оболочка Земли

С учетом имеющегося на Земле разнообразия природных условий в науке сформировано понятие так называемой географической оболочки планеты, включающей в себя:

·  земную кору (литосферу);

·  воды Мирового океана, рек, озер, ледников (гидросферу);

·  нижнюю часть атмосферного бассейна (тропосферу);

·  взаимодействующие с окружающей средой формы жизни (биосферу).

Геохимическая функция литосферы касается в основном тех геохимических неоднородностей, которые представляют опасность для биоты, в том числе человека. Речь идет, прежде всего, о химическом загрязнении, привнесении в литосферу различных токсикантов (тяжелых металлов, пестицидов, пластмасс, детергентов). Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами. Опасные для жизни человека химические вещества в земной коре находятся в связанном состоянии. Будучи извлеченными из недр Земли, они возвращаются сначала на поверхность планеты, а затем и вглубь нее уже в виде, представляющем большую опасность. Таковы, например, тяжелые металлы – свинец, цинк, ртуть, медь, никель, железо, кадмий и др. Основными источниками тяжелых металлов являются промышленные предприятия, атомные и тепловые электростанции. Сначала тяжелые металлы попадают в атмосферу, но затем с осадками выпадают на поверхность Земли. Согласно расчетам, вклад в химическое загрязнение планеты антропогенного свинца составляет 94-97%, кадмия – от 84 до 89%, никеля – от 66 до 75% и т.д. Значительный вклад в химическое загрязнение литосферы, особенно земной коры, вносят различного рода радиоактивные отходы в твердом и жидком состояниях.

Геофизическая функция литосферы реализуется посредством физических факторов: радиации, шумовых и тепловых эффектов. На поверхности Земли постоянно наблюдается естественный радиационный фон, который с медицинской точки зрения, как правило, не является вредным. Однако есть такие регионы, например, в Индии и Бразилии, где этот фон превышает нормальный в 100 и даже 1000 раз. Земной радиационный фон наличествует даже в помещениях. Источник – радон и продукты его радиоактивного распада. Основной канал проникновения радона – почва и строительные материалы. Техническая деятельность человека, связанная с выносом естественных радионуклидов во внешнюю среду, приводит к включению их в геобиогенные циклы. А это означает, что основная часть радиационного фона имеет антропогенное происхождение.

 Литосфера как абиотическая основа жизни

Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии и переходящая без резкой границы в нижележащую астеносферу. Мощность литосферы составляет от 50 до 200 км.

Породы земной коры делятся на три класса, имеющих различное происхождение:

– магматические породы (гранит, базальт, габбро, туф);

– осадочные породы (мел, известняк, доломит, песок);

– метаморфические породы.

Современная наука позволяет говорить, что первоначально, непосредственно по завершении формирования литосферы, поверхность Земли была холодной (около 0 "С), небо практически безоблачным, разница между температурой дня и ночи достигала порядка 50 "С. Горы имели более изломанные очертания, чем сейчас, склоны были круче, а ущелья глубже. Без морей, рек, ледников, при разреженной безветренной атмосфере процессы эрозии были ничтожны. Зато интенсивный вулканизм порождал в земной коре глубокие разломы, многократно перестраивал, сминал в складки, опускал и поднимал земную поверхность. Потоки лавы образовывали озера, заливали огромные пространства и застывали. В результате вулканической деятельности из недр Земли выделялись газы и водяные пары, постепенно образовавшие атмосферу.

В трещинах и углублениях земной поверхности стала конденсироваться вода, сначала в виде небольших лужиц, постепенно сливавшихся в более крупные водоемы. Со временем образовался первичный океан. Под действием холода и жары, ветра и воды начали разрушаться скалы и отлагаться первые осадочные породы. Примерно 4 млрд лет назад над пустынной Землей, покрывшейся водами, нависли тяжелые густые облака, почти не пропускавшие солнечных лучей. Земную поверхность сотрясали титанические бури и ураганы на фоне нестихающего вулка+низ-ма. Геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни называется катархей. Жизни еще не было, но, как считают многие ученые, уже имелись все предпосылки для ее появления.

Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. К субстратному относят теории происхождения жизни, отправным пунктом которых являются определенный состав элементов органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений. Известно более ста химических элементов, однако основу живых систем составляют только шесть, названные органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая весовая доля в организмах – 97,4 %. Далее следуют 12 элементов, участвующих в физиологически важных компонентах биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт (весовая доля в организмах – 1,6 %). Еще 20 участвуют в работе отдельных биосистем, участие остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий, никель, а углерод занимает лишь 16-ое место. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Следовательно, геохимия не играет существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.

Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая

Экологические функции литосферы — всё многообразие функций, определяющих и отражающих роль и значение литосферы, включая подземные воды, нефть, газы, геофизические поля и протекающие в ней геологические процессы, в жизнеобеспечении биоты и, главным образом, человеческого сообщества.

Термин и понятие «экологические функции литосферы» были введены в 1994 г. В. Т. Трофимовым и Д. Г. Зилингом.

Знания об экологических функциях (свойствах) литосферы составляют предмет исследования новой науки геологического цикла — экологической геологии.

Ресурсная экологическая функция литосферы определяет роль минеральных, органических и органоминеральных ресурсов и геологического пространства литосферы для жизни и деятельности биоты как в качестве биогеоценоза, так и социальной структуры.

Геодинамическая экологическая функция литосферы отражает свойства литосферы, влияющие на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные процессы и явления.

Геофизико-геохимическая и географическая оболочка Земли

С учетом имеющегося на Земле разнообразия природных условий в науке сформировано понятие так называемой географической оболочки планеты, включающей в себя:

·  земную кору (литосферу);

·  воды Мирового океана, рек, озер, ледников (гидросферу);

·  нижнюю часть атмосферного бассейна (тропосферу);

·  взаимодействующие с окружающей средой формы жизни (биосферу).

Геохимическая функция литосферы касается в основном тех геохимических неоднородностей, которые представляют опасность для биоты, в том числе человека. Речь идет, прежде всего, о химическом загрязнении, привнесении в литосферу различных токсикантов (тяжелых металлов, пестицидов, пластмасс, детергентов). Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами. Опасные для жизни человека химические вещества в земной коре находятся в связанном состоянии. Будучи извлеченными из недр Земли, они возвращаются сначала на поверхность планеты, а затем и вглубь нее уже в виде, представляющем большую опасность. Таковы, например, тяжелые металлы – свинец, цинк, ртуть, медь, никель, железо, кадмий и др. Основными источниками тяжелых металлов являются промышленные предприятия, атомные и тепловые электростанции. Сначала тяжелые металлы попадают в атмосферу, но затем с осадками выпадают на поверхность Земли. Согласно расчетам, вклад в химическое загрязнение планеты антропогенного свинца составляет 94-97%, кадмия – от 84 до 89%, никеля – от 66 до 75% и т.д. Значительный вклад в химическое загрязнение литосферы, особенно земной коры, вносят различного рода радиоактивные отходы в твердом и жидком состояниях.

Геофизическая функция литосферы реализуется посредством физических факторов: радиации, шумовых и тепловых эффектов. На поверхности Земли постоянно наблюдается естественный радиационный фон, который с медицинской точки зрения, как правило, не является вредным. Однако есть такие регионы, например, в Индии и Бразилии, где этот фон превышает нормальный в 100 и даже 1000 раз. Земной радиационный фон наличествует даже в помещениях. Источник – радон и продукты его радиоактивного распада. Основной канал проникновения радона – почва и строительные материалы. Техническая деятельность человека, связанная с выносом естественных радионуклидов во внешнюю среду, приводит к включению их в геобиогенные циклы. А это означает, что основная часть радиационного фона имеет антропогенное происхождение.

1. Электромагнитная картина мира [Электронный ресурс] //  URL:  http://lib.vvsu.ru/books/Bakalavr01/page0005.asp (Дата обращения: 25.04.2017).

2. Дальнодействие и короткодействие [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/0zWND Дата обращения:(01.05.2017).
3. Корпускулярно-волновой дуализм [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/08uo4y Дата обращения:(01.05.2017).
4. Волны де Бройля [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/iAB8RW Дата обращения:(01.05.2017).

5. Новейшая революция в естествознании на рубеже XIX И XX вв. [Электронный ресурс] //  URL:  http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-185-tehnika/131.htm Дата обращения:(01.05.2017).

6. Принцип дополнительности [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/6Oevyn Дата обращения:(01.05.2017).

7. Принцип неопределённости [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/b6cvlO Дата обращения:(01.05.2017).

8. Принцип суперпозиции электрических полей  [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/nFc88E Дата обращения:(01.05.2017).

9. Принцип симметрии  [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/0XzpMa Дата обращения:(01.05.2017).

10. Космология. Космогония [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/MJC28 Дата обращения:(01.05.2017).

11. Основные представления о мегамире [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/2FI3kP Дата обращения:(01.05.2017).

12. Солнечная система [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/dzsIwJ (Дата обращения: 25.04.2017).
Планеты-гиганты [Электронный ресурс] //  URL:  goo.gl/jscQ (Дата обращения: 25.04.2017).

13. Малые планеты Солнечной системы [Электронный ресурс] //  URL:  http://kosmoved.ru/malye_planety.shtml (Дата обращения: 25.04.2017).

14. Происхождение планетных систем [Электронный ресурс] //  URL:   goo.gl/cUzkkA (Дата обращения: 25.04.2017).

15. Химическая реакция [Электронный ресурс] //  URL:   goo.gl/ki9Y02 (Дата обращения: 25.04.2017).

16. Реакционная способность [Электронный ресурс] //  URL:   goo.gl/vFTklq (Дата обращения: 25.04.2017).

17. Энергетика химических процессов  [Электронный ресурс] //  URL:   http://f-mephi.narod.ru/New/1_kurs/chem/answers/bilet_5.htm  (Дата обращения: 25.04.2017).

18. Внутреннее строение и история геологического развития Земли [Электронный ресурс] //  URL:   goo.gl/e8AKg3(Дата обращения: 25.04.2017).

19. Геосфера [Электронный ресурс] //  URL:   goo.gl/hq8S6e (Дата обращения: 25.04.2017).

20. Литосфера как абиотическая основа жизни [Электронный ресурс] //  URL:   goo.gl/qWXPL1 (Дата обращения: 25.04.2017).

21. Экологические функции литосферы [Электронный ресурс] //  URL:   goo.gl/CEW2WM (Дата обращения: 25.04.2017).

22. Геофизико-геохимическая и географическая оболочка Земли  [Электронный ресурс] //  URL:   http://www.labex.ru/page/g14_kse_43.html (Дата обращения: 25.04.2017).