Теории происхождения жизни. Ключевые картины мира

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

Кафедра «Прикладная физика»

Контрольная работа

по дисциплине:

Концепция современного естествознания

Выполнила: студентка

1 курса, группы 100400

заочного отделения ИТиМЭО

Сираева Карина Рустамовна

Санкт-Петербург 2012



Физическая картина мира. Сила тока. Закон Ома для замкнутой цепи

Силой тока называется физическая величина , равная отношению количества заряда , прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах.

По закону Ома сила тока для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению к участку цепи и обратно пропорциональна сопротивлению проводника этого участка цепи:

-- где e -- заряд электрона, n -- концентрация частиц, S -- площадь поперечного сечения проводника, -- средняя скорость упорядоченного движения электронов.

Единица измерения в СИ -- 1 Ампер (А) = 1 Кулон / секунду.

Для измерения силы тока используют специальный прибор -- амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).

В случае переменного тока различают мгновенную силу тока, амплитудную (пиковую) силу тока и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность).

Закон Ома для замкнутой цепи

Замкнутая цепь (рис. 2) состоит из двух частей -- внутренней и внешней. Внутренняя часть цепи представляет собой источник тока, обладающий внутренним сопротивлением r; внешняя -- различные потребители, соединительные провода, приборы и т.д. Общее сопротивление внешней части обозначается R. Тогда полное сопротивление цепи равно r + R.

Рис. 2

По закону Ома для внешнего участка цепи 1 > 2 имеем:

ц1?ц2=IR.

Внутренний участок цепи 2 > 1 является неоднородным. Согласно закону Ома, ц2?ц1+е=Ir. Сложив эти равенства, получим

е=IR+Ir.(1)



Отсюда

I=еR+r.(2)

Последняя формула представляет собой закон Ома для замкнутой цепи постоянного тока. Сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Так как для однородного участка цепи разность потенциалов есть напряжение, то ц1?ц2=IR=U и формулу (1) можно записать:

е=U+Ir?U=е?Ir.

Из этой формулы видно, что напряжение на внешнем участке уменьшается с увеличением силы тока в цепи при е = const.

Подставим в последнюю формулу силу тока (2), получим

U=е(1?rR+r).

Химическая картина мира. Структура вещества и химические системы

Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходилось заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, тем не менее, все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между их элементами.

В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от весьма общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью систематических химических экспериментов. Если, например, по мнению известного шведского химика Йенса Берцелиуса (1779--1848) структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп, то французский химик Шарль Жерар (1816--1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер такого представления. В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали практических указаний, как применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами.

Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтезирования новых веществ предпринял известный немецкий химик Фридрих Кекуле (1829--1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с определенными модификациями пользуются при изучении органической химии в школе. В этих формулах элементы связывались друг с другом по числу единиц их сродства или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки.

Дальнейший шаг эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения Александра Михайловича Бутлерова (1828--1886), который, хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи А.М. Бутлерова нашли не только широкое применение в практике химического синтеза, но и получили свое обоснование в квантовой механике.

Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой -- установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.

Биологическая картина мира. Развитие представлений о происхождении жизни

Происхождение жизни - одна из трех важнейших мировоззренческих проблем, наряду с проблемой происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека и общества.

Попытки понять, как возникла и развивалась жизнь на Земле, появились у человека еще в глубокой древности. В античности сложились два противоположных подхода к решению этой проблемы. Первый, религиозно-идеалистический, исходил из того, что возникновение жизни не могло осуществиться естественным, объективным, закономерным образом на Земле; жизнь является следствием божественного творческого акта (креационизм) и потому всем существам свойственна особая, независимая от материального мира “жизненная сила” (vis vitalis), которая и направляет все процессы жизни (витализм).

Наряду с идеалистическим подходом, еще в древности сложился и материалистический подход к этой проблеме, в основе которого лежало представление о том, что живое может возникнуть из неживого, органическое из неорганического под влиянием естественных факторов. Так сложилась концепция самозарождения живого из неживого. Идея самозарождения приобрела широкое распространение во времена Средневековья и Возрождения, когда допускалась возможность самозарождения не только простых, но и довольно высокоорганизованных существ, даже млекопитающих (например, мышей из тряпок). Например, в трагедии В. Шекспира “Антоний и Клеопатра” Леонид говорит Марку Антонию: “Ваши египетские гады заводятся в грязи от лучей вашего египетского солнца. Вот, например, крокодил...”. Известны попытки Парацельса (1485-1540) разработать рецепты искусственного получения человека (гомункулуса).

Невозможность произвольного зарождения жизни была доказана целым рядом опытов. Итальянский ученый Ф. Реди (1626-1698) экспериментально доказал невозможность самозарождения сколько-нибудь сложных животных. Применение микроскопа в биологических исследованиях способствовало открытию большого разнообразия одноклеточных организмов. На этой основе вновь возродились старые идеи произвольного самозарождения простейших существ. Окончательно версия о самозарождении была развенчана Л. Пастером в середине XIX в. Пастер показал, что не только в запаянном сосуде, но и незакрытой колбе с длинной S - образной горловиной хорошо прокипяченный бульон остается стерильным, потому что в колбу через такую горловину не могут проникнуть микробы. Так было доказано, что в наше время какой бы то ни было новый организм может появиться только от другого живого существа.

Появление жизни на Земле пробовали объяснить занесением ее из других космических миров. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, которые населяют мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Эта гипотеза была поддержана многими выдающимися учеными ХIХ века - В. Томсоном, Г. Гельмгольцем и другими. Сходную гипотезу выдвинул в 1907 г. и известный шведский естествоиспытатель С. Аррениус. Его гипотеза получила название панспермии: во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом пространстве по давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого.

Сейчас уже определенно выяснено, что “азбука” живого сравнительно проста: в любом существе, живущем на Земле, присутствует 20 аминокислот, пять оснований, два углевода и один фосфат. Существование небольшого числа одних и тех же молекул во всех живых организмах убеждает нас, что все живое должно иметь единое происхождение.

Отрицание возможности самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития органической природы и жизни в прошлом из неорганической материи. На определенной стадии развития материи жизнь может возникнуть как результат естественных процессов, совершающихся в самой материи. Кроме того, элементарные химические процессы на начальных этапах возникновения и развития жизни могли происходить не только на Земле, но и в других частях Вселенной и в различное время. Поэтому не исключается возможность занесения определенных предпосылочных факторов жизни на Землю из Космоса. Однако в изученной пока человеком части Вселенной только на Земле они привели к формированию и расцвету жизни.

Возникновения жизни

С позиций современного научного мировоззрения жизнь возникла из неживого вещества, т. е. произошла в результате эволюции материи, есть результат естественных процессов, происходивших во Вселенной. Жизнь - это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории нашей планеты Земля. Возникновение жизни явилось результатом последовательных процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем на Земле многие миллионы лет. От неорганических соединений к органическим, от органических - к биологическим - таковы последовательные стадии, по которым осуществлялся процесс зарождения жизни.

Возраст Земли исчисляется примерно в 5 млрд. лет. Жизнь существует на Земле, видимо, более 3,5 млрд. лет. Признаки деятельности живых организмов обнаружены многократно в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару.

В сложном процессе возникновения жизни на Земле можно выделить несколько основных этапов. Первый из них связан с процессами образования простейших органических соединений из неорганических.

Образование простых органических соединений

Происхождение жизни связано с протеканием определенных химических реакций на поверхности первичной планеты. Каковы же основные этапы химической эволюции жизни?

На начальных этапах истории Земли она представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что они оказались у колыбели жизни.

На этих начальных этапах сложилась первичная атмосфера Земли, которая носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Кроме того, она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Эта первичная атмосфера уже утрачена. На ее месте образовалась вторая атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода - одного из наиболее химически активных газов. Эта вторая атмосфера - продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий.

Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100° C произошло сгущение водяных паров и образование воды. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много раскаленной массы, в том числе карбидов - соединений металла с углеродом. При взаимодействии карбидов с водой выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, а также газы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапливались простейшие органические соединения. Причем, накапливались в больших количествах. Подсчеты показывают, что только посредством вулканической деятельности на поверхности Земли могло образоваться около 1 0 n кг органических молекул, где n = 1 6 .Это всего на 2-3 порядка меньше массы современной биосферы!

Вместе с тем, и астрономическими исследованиями установлено, что и на других планетах и в космической газопылевой материи имеются углеродные соединения, в том числе и углеводороды.

Космологическая картина мира. Квазары

Квазамр (англ. quasar) -- особо мощное и далёкое активное ядро галактики. Квазары являются одними из самых ярких объектов во Вселенной -- их мощность излучения иногда в десятки и сотни раз превышает суммарную мощность всех звёзд таких галактик, как наша. Следы родительских галактик вокруг квазаров (причём, далеко не всех) были обнаружены лишь позднее. В первую очередь квазары были опознаны как объекты с большим красным смещением, имеющие электромагнитное излучение (включая радиоволны и видимый свет) и настолько малые угловые размеры, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» -- звёзд (напротив, протяжённые источники больше соответствуют галактикам)

В 1963 году было сделано открытие исключительной важности: обнаружены квазары -- объекты, свет (и радиоволны) от которых шли к нам целых 15 миллиардов лет. Это значит, что сейчас мы их видим такими, какими они были вскоре после Большого Взрыва, в результате которого началась история нашей Вселенной.

Что собой представляют квазары? Прежде всего, это источники радиоволн. Отсюда и их название: квази (то есть почти) звездные радиоисточники. Квазары поразили всех, прежде всего колоссальной своей мощностью: находясь на самом "краю" Вселенной, они испускали настолько интенсивное излучение, что оно не только дошло до нас, хотя и находилось в пути более 10 миллиардов лет, но дошло весьма интенсивным. Ведь квазар можно наблюдать в самый простой 20-сантиметровый телескоп, тогда как для наблюдения объектов, находящихся в тысячи раз ближе, нужны пятиметровые телескопы! Квазар излучает такое огромное количество энергии, что возникает законный вопрос, откуда он ее черпает. Энергия, которую он излучает за полчаса, равна всей энергии, которая выделяется при взрыве Сверхновой! Светимость каждого квазара в тысячу раз превышает светимость крупных галактик, в которые входят миллиарды звезд! Поражает в квазаре и другое -- компактность этой фабрики энергии. Квазар скорее сравним по размерам со звездой, чем с галактикой. (Поэтому его и назвали "квази" - звездным источником. Естественно, главным является вопрос, как устроен квазар, как работает его фабрика энергии, или, как говорят физики, какова его физическая природа. Не менее поразительно и то, что его фабрика энергии работает неритмично. Излучаемая квазаром энергия (он излучает видимый свет, ультрафиолетовые, инфракрасные и рентгеновские лучи, радиоволны) меняется не только в течение нескольких лет, но и в течение нескольких месяцев или даже недель. Это при среднем возрасте квазара 10 миллионов лет! Надо как-то объяснить такие значительные сбои в работе энергетиков квазара. Например, квазар ЗС под номером 345 за три недели изменил свою светимость вдвое, а квазар под номером 466 в том же третьем кембриджском каталоге (ЗС) изменил свою светимость вдвое даже в течение нескольких дней (в течение нескольких месяцев светимость его изменилась в 20 раз!). Такие изменения характерны не только для видимой светимости, но и для интенсивности радиоизлучения квазара.

Обращаем внимание на то, что сейчас мы получаем информацию о тех квазарах, которые существовали около 10 миллиардов лет тому назад. Просуществовав всего 10 миллионов лет, они перестали быть квазарами. Таким образом, мы ведем разговор об объектах, которые существовали во Вселенной до того, как образовалась Земля. Это смещение во времени (возможность путешествия в прошлое и невозможность увидеть то, что сейчас происходит в ее далеких уголках) происходит потому, что на передачу информации с помощью света во Вселенной могут потребоваться миллиарды лет! Поэтому те квазары, которые излучают сейчас, можно будет наблюдать через 10 миллиардов лет, когда их излучение придет к нам.

Измерения показали, что квазары движутся (вернее, двигались) со скоростями, составляющими 87% от скорости света. Скорости квазаров направлены от нас, то есть они разлетаются во все стороны с огромными скоростями. Измерялись не скорости, а смещение частоты излучения квазаров за счет эффекта Доплера. Оказалось, что смещение линий излучения атомов водорода происходит в сторону красного края спектра, то есть частота излучения увеличивается, что имеет место при удалении источника. Квазары движутся со скоростями, превышающими 250 000 км/с! Такие скорости запрещены другим объектам. Так, если бы звезда имела скорость движения больше 1000 км/с, то она покинула.бы Свою галактику. Кроме того, звезды движутся как от нас, так и к нам. Квазары же движутся исключительно от нас.

Как "работает" квазар

Этот вопрос астрофизики изучают давно. Самым сложным оказалось понять, откуда квазар черпает такое большое количество энергии. За это время было предложено множество гипотез, объясняющих устройство квазара. Но они оказались несостоятельными. Поэтому их нет смысла рассматривать.

Оказалось, что проблема квазаров связана с проблемой активных ядер галактик. Они были открыты еще в 1943 году американским астрономом К. Сейфертом. В спектрах излучения, приходящего от космических объектов, были обнаружены широкие ("размытые") и очень интенсивные линии водорода, азота, кислорода и других химических элементов. Положение линии излучения, которому соответствует определенная частота (а значит, и длина волны), зависит от того, какова скорость движения излучающей частицы и куда направлена эта скорость. Если скорость излучателя направлена к нам, то линия смещается в одну сторону, а если от нас -- то в противоположную сторону. Движение излучателя поперек луча зрения не приводит к смещению линии в спектре излучения. Если одновременно измеряется излучение от частиц, часть которых движется к нам, а другая часть -- от нас, то линия излучения расширяется в обе стороны. Чем больше скорость частиц, тем линии излучения становятся шире. По величине этого уширения можно рассчитать скорость движения частиц. Это сделал К. Сейферт. Он установил, что в активных ядрах галактик частицы газа движутся с огромными скоростями, достигающими десятков тысяч километров в секунду. Скорости газа в обычных галактиках не более 300 км/с. Скорости движения частиц газа в активных ядрах галактик сравнимы по величине со скоростями разлета частиц при взрывах Сверхновых звезд. Сейферт исследовал активные ядра 12 таких необычных галактик. Эти галактики впоследствии были названы сейфертовскими.

Ядра сейфертовских галактик своим излучением напоминают квазары, но мощность их излучения меньше. Их еще называют мини-квазарами. Излучение активных ядер сейфертовских галактик, как и излучение квазаров, является переменным. Был сделан вывод, что квазары представляют собой центральные объекты (ядра) внутри галактик. Дальнейшие исследования квазаров показали, что процессы, обеспечивающие выделение энергии, не ограничены ядром галактики, а являются результатом взаимодействия галактики с этим ядром.

Квазизвездные радиоисточники

Когда радиоастрономия делала еще первые шаги, широкое распространение получил термин “радиозвезды”. Так называли некоторые “точечные” источники космического радиоизлучения. Постепенно многие из них были отождествлены с уже открытыми до того астрономами туманностями и галактиками. Почти все, но все-таки не все.

К 1963 г. загадочными остались пять звездообразных объектов, получивших впоследствии наименование квазизвездных радиоисточников, или квазаров.

Судя по мощности радиоизлучения, квазары никак не могут быть звездами в обычном, общепринятом понимании этого слова. Пять объектов, значащихся в звездных каталогах 1963 г. (включенные в 3-й Кембриджский каталог (3С) космических радиоисточников) под условными обозначениями 3С48 (отождествленный со звездой 16-й величины в созвездии Треугольника), 3С147, 3С196, 3С273 (отождествленный со звездой 13-й величины в созвездии Девы) и 3С286.

Квазары могут быть либо наиболее удаленными из известных нам объектов и наиболее мощными источниками излучения, либо спутниками довольно обычных галактик и тогда их излучение не удается объяснить с помощью известных механизмов.

Не все квазары - радиоисточники

Хотя именно радиоастрономии мы обязаны открытием квазаров, вскоре стало ясно, что далеко не все они являются радиоисточниками. Было открыто большое число не излучающих в радиодиапазоне объектов, которые во всех остальных отношениях были похожи на первые квазары 3С273 и 3С48. Из известных более 1300 квазаров лишь несколько процентов относятся к радиоисточникам. Таким образом, большинство квазаров “спокойны” в радиодиапазоне.

Название “квазары” есть сокращение от термина “квазизвездные радиоисточники”. Но поскольку многие квазары, как оказалось, не имеют заметного радиоизлучения, их стали называть “квазизвездными объектами”. Однако сейчас широко употребляется короткое название “квазары”.

Сначала казалось, что эти небесные тела ни на что не похожи и сочетают в себе несовместимые свойства. Потребовалось немало усилий, прежде чем было понято, что квазары родственны радиогалактикам и другим галактикам, в ядрах которых происходят мощные процессы энерговыделения. В квазарах эти процессы достигают максимального масштаба и интенсивности. По мощности излучения квазар в сотни раз превосходит Галактику, а рождается это излучение в объеме, сравнимом по размеру с объемом Солнечной системы. Квазар - очень компактный объект.

Открытие квазаров и два первых десятилетия их изучения - это, как видно, только начало длительных исследований, целью которых является объяснение физического механизма активности галактических ядер и квазаров. Они все еще остаются самой поразительной загадкой современной астрофизики.

Расстояние до квазаров

По мере накопления данных наблюдений большинство астрономов пришли к выводу, что квазары дальше от нас, чем любые другие объекты, доступные наблюдениям. Но небольшая часть астрономов утверждала, что наиболее убедительные данные наблюдений говорят о пространственной близости квазаров и не очень далеких галактик.

Красное смещение

Большинство квазаров интенсивно излучают радиоволны. Когда астрономы точно определили положения этих радиоисточников на фотографиях, полученных в видимом свете, они обнаружили звездообразные объекты.

Чтобы установить природу странных небесных тел, сфотографировали их спектр. И увидели совсем неожиданное! Эти “звезды” имели спектр, резко отличающийся от всех других звезд. Спектры были совершенно незнакомыми. У большинства квазаров они не содержали не только хорошо известных и характерных для обычных звезд линий водорода, в них вообще с первого взгляда нельзя было обнаружить ни одной линии даже какого-либо другого химического элемента. Работавший в США молодой голландский астрофизик М. Шмидт выяснил, что линии в спектрах странных источников неузнаваемы лишь потому, что они сильно смещены в красную область спектра, а на самом деле это линии хорошо известных химических элементов (прежде всего водорода).

Причина смещения спектральных линий квазаров была предметом больших научных дискуссий, в итоге которых подавляющее большинство астрофизиков пришли к выводу, что красное смещение спектральных линий связано с общим расширением Метагалактики.

В спектре объектов 3С273 и 3С48 красное смещение достигает небывалой величины. Смещение линий к красному концу спектра может быть признаком удаления источника от наблюдателя. Чем быстрее удаляется источник света, тем больше красное смещение в его спектре.

Характерно, что в спектре практически всех галактик (а для далеких галактик это правило не имеет ни одного исключения) линии в спектре всегда смещены к его красному концу. Грубо говоря, красное смещение пропорционально расстоянию до галактики. Именно в этом выражается закон красного смещения, объясняемый ныне как результат стремительного расширения всей наблюдаемой совокупности галактик.

Скорость удаления

квазар ток галактика химический

У наиболее далеких из известных до сих галактик красное смещение весьма велико. Соответствующие ему скорости удаления измеряются десятками тысяч километров в секунду. Но у объекта 3С48 красное смещение превзошло все рекорды. Получилось, что он уносится от Земли со скоростью только примерно вдвое меньше скорости света! Если считать, что этот объект подчиняется общему закону красного смещения, легко вычислить, что расстояние от Земли до объекта 3С48 равно 3,78 млрд. световых лет! К примеру, за 8 1/3 минут луч света долетит до Солнца, за 4 года - до ближайшей звезды. А здесь почти 4 млрд.лет непрерывного сверхстремительного полета - время, сравнимое с продолжительностью жизни нашей планеты.

Для объекта 3С196 расстояние, также найденное по красному смещению, получилось равным 12 млрд. световых лет, т.е. мы уловили луч света, который был послан к нам еще тогда, когда ни Земли, ни Солнца не существовало! Объект 3С196 очень быстрый - его скорость удаления по лучу зрения достигает 200 тысяч километров в секунду.

Возраст квазаров

По современным оценкам, возрасты квазаров измеряются миллиардами лет. За это время каждый квазар излучает огромную энергию. Нам неизвестны процессы, которые могли бы служить причиной такого энерговыделения. Если предположить, что перед нами сверхзвезда, в которой “сгорает” водород, то ее масса должна в миллиард раз превышать массу Солнца. Между тем современная теоретическая астрофизика доказывает, что при массе более чем в 100 раз превышающей солнечную, звезда неизбежно теряет устойчивость и распадается на ряд фрагментов.

Из известных ныне квазаров, общее число которых более 10 000, самый близкий удален на 260 000 000 световых лет, самый далекий - на 15 млрд. световых лет. Квазары, пожалуй, наиболее старые из объектов, наблюдаемых нами, т.к. с расстояния в миллиарды световых лет обычные галактики не видны ни в один телескоп. Однако это “живое прошлое” пока что совершенно непонятно нам. Природа квазаров до сих пор полностью не выяснена.

Подчиняясь тому же закону космологического удаления, что и галактики, источники 3С273 и 3С48 сами по себе сильно отличаются от обычных галактик, подобных нашей Галактике. Прежде всего, поражает их необычайная светимость, в сотни раз превышающая светимость нашей Галактики.

Казалось бы, объекты, столь далекие от Земли, должны быть доступными лишь наблюдателю, вооруженному самыми мощными современными телескопами. В действительности, например, объект 3С273 можно найти в созвездии Волосы Вероники как звездочку 12,6 звездной величины. Такие звезды доступны даже любительским телескопам.

Таинственным является и тот факт, что по своим размерам квазары явно меньше галактик: ведь они выглядят как точечные источники света, в то время как даже самые далекие галактики похожи на размытые светящиеся кляксы.

Источник энергии

Какими же чудовищными по мощности излучения должны быть эти источники света, если с расстояния в миллиарды световых лет они кажутся такими яркими!

Самый трудный вопрос, связанный с квазарами, - это объяснение гигантского выделения энергии. Если квазары и в самом деле находятся на космологически больших расстояниях от нас (т.е. красное смещение действительно связано с расширением Вселенной), то нужно объяснить, как возникает эта сильнейшая светимость. Остается загадкой, какой же источник энергии поддерживает свечение квазара. Ясно одно, что каков бы ни был этот источник, сосредоточен он в относительно небольшой области пространства, т.е. достаточно компактен. А это само по себе уже говорит о том, что механизм выделения энергии в квазаре весьма необычен.

Многие астрофизики считают, что квазары связаны с ядрами галактик, находящимися на определенной ступени эволюции. Например, ядро галактики М87 гораздо ярче ее внешних частей. Но есть галактики и других типов, так называемые сейфертовские галактики, у которых контраст яркого ядра со слабосветящейся остальной частью выражен еще более резко. Возможно, квазары - следующая ступень этой последовательности. Если они расположены очень далеко, то мы видим только их яркое ядро, слабая же оболочка (если она вообще есть) просто совсем не видна.

Высказывается также предположение, что, как и в галактике М87, выделение энергии в квазарах, возможно, связано с наличием сверхмассивных черных дыр. Начиная с середины 70-х годов идея о том, что гигантское выделение энергии в квазарах объясняется черными дырами, приобрела большую популярность.

Процесс выделения энергии тоже связывают с работой сил тяготения, а радиоизлучение квазара - это синхротронное излучение заряженных частиц в магнитном поле.

Некоторые астрономы считают, что потоки энергии от квазаров значительно ниже, поскольку расстояния до них сильно преувеличены. Если квазары, скажем, в 100 раз ближе к нам, чем мы думаем, то мы завышаем в 10 000 раз их светимость при расчетах мощности излучения по их наблюдаемой яркости. Астрономы, которые придерживаются этой точки зрения, исходят из того факта, что квазары часто видны на небе рядом с пекулярными (необычными) галактиками. Эти галактики, хотя и несколько необычны по своей структуре, имеют обычные красные смещения, которым соответствуют скорости удаления, равные нескольким процентам от скорости света. А квазары, расположенные на небе поблизости от них, имеют красные смещения в 10 - 20 раз больше!

Если квазары находятся по соседству с довольно близкими галактиками, чем объяснить их огромные красные смещения? Единственное разумное объяснение - эффект Доплера, но почему мы всегда наблюдаем лишь красное смещение (удаление) и никогда - фиолетовое (приближение)? И как вещество могло быть выброшено (всегда в направлении от нас!) с такими огромными скоростями и сохранить при этом форму единого объекта?

Ответ гласит: это никому неизвестно. За 15 лет не удалось определить ни расстояния до квазаров, ни их природу и источники их колоссальной энергии. Может быть, загадка квазаров таит в себе ключ к какой-то новой области астрофизики, какие-то новые возможности возникновения больших красных смещений в неизвестных нам ситуациях или новые способы генерации гигантских энергий, если квазары находятся очень далеко. Будем надеяться, что в последующие годы нам удастся преодолеть эти трудности в объяснении природы удаленных областей Вселенной, в которых расположены квазизвездные объекты. А сейчас мы можем только сказать: по-видимому, это естественные, а не искусственные астрономические объекты, поскольку пока не понятно, как цивилизация могла бы “сделать” квазар.

Переменность и размер

Еще одна загадка квазаров заключается в том , что некоторые из них меняют свою яркость с периодом в несколько суток, недель или лет, тогда как обычные галактики не обнаруживают таких вариаций.

Московские астрономы А.С. Шаров и Ю.Н. Ефремов решили выяснить, как вели себя в прошлом “странные звезды”. Они внимательно просмотрели 73 негатива, на которых с 1896 по 1963 г. был запечатлен объект 3С273. Вывод, к которому пришли советские ученые, можно считать вполне достоверным. А он поразителен. Оказалось, что 3С273 менял свою яркость! И не чуть-чуть, а очень заметно - от 12,0 до 12,7 звездной величины, т.е. почти в два раза. Бывали случаи (например, в период с 1927 по 1929 г.), когда за непродолжительное время поток излучения от 3С273 возрастал в 3 - 4 раза! Иногда за несколько суток объект менялся на 0,2 - 0,3 звездной величины. При этом внешне, оптически, не происходило никаких других существенных изменений - “странная звезда” неизменно казалась звездой, хотя и переменной. Подобное явление позже было обнаружено и у объекта 3С48.

Известны тысячи переменных звезд, по разным причинам изменяющихся. Но среди обычных галактик не было зарегистрировано ни одной переменной. Хотя многие из них содержат тысячи и миллионы переменных звезд, колебания их светимости происходят в разнобой и столь несущественны для галактики в целом, что общее излучение галактик всегда остается практически неизменным. Ни один оптический инструмент мира не может уловить хотя бы малейшие колебания светимости какой-нибудь из галактик.

Остаются три возможности. Первая из них нелепа: звезды галактики изменяются сразу и одинаково, как по команде, в одном ритме. С физической стороны такое объяснение настолько абсурдно, так противоречит всем нашим знаниям о космосе, что не заслуживает серьезного рассмотрения. Вторая возможность - странные объекты, сходные с галактиками по характеру красного смещения, имеют физическую природу, совершенно отличную от галактик. Однако, большинство астрономов предполагают, что квазары - активные ядра сверхдалеких галактик.

Бесспорно, что квазары - это не протяженные, разбросанные на десятки тысяч световых лет звездные системы, а какие-то весьма компактные тела небольших сравнительно размеров и колоссальной массы (миллиарды солнечных масс). Относительно малые размеры могут объяснить быстроту колебаний светимости всего объекта в целом, а огромная масса - единственно возможная причина исключительной яркости, или, точнее светимости небесного тела. Чем массивнее звезда, тем ярче она светит. Эта закономерность следует как из наблюдений, так и из теоретических соображений.

Не только по массе, но и по мощности излучения квазары резко отличаются от всех известных небесных тел. Даже сверхновые звезды “бледнеют” в сравнении с ними. Сверхновые звезды излучают света в несколько миллиардов раз больше, чем Солнце только в момент своего мощного взрыва. Рядовой же квазар всегда в десятки тысяч раз излучает больше

Инфракрасное и рентгеновское излучение квазаров

В последние годы астрономам удалось зарегистрировать инфракрасное и рентгеновское излучение квазаров; они обнаружили, что мощность излучения некоторых объектов в этих областях спектра даже больше, чем в видимой области и радиодиапазоне. Если просуммировать энергии излучения во всех областях спектра, то оказывается, что некоторые квазары генерируют в 100 000 раз больше энергии в секунду, чем гигантские галактики при условии, что наши оценки расстояний до квазаров верны.

Развитие рентгеновской астрономии помогло установить, что большинство квазаров оказались мощными рентгеновскими источниками. Некоторый намек на это можно было заметить еще в результате самых первых рентгеновских наблюдений квазара 3С273, а в последних исследованиях обсерватории “Эйнштейн” (“НЕАО-В”) было обнаружено уже более 100 квазаров с сильным рентгеновским излучением.

Исходя из этих наблюдений, полагают, что в отличие от радиоизлучения рентгеновское излучение - характерное свойство квазаров.

Галактики и квазары

За последнее время накопилось множество свидетельств того, что квазары родственны галактикам и представляют собой обширные звездные системы с компактными центральными областями - ядрами, откуда исходит основная доля их излучения. Размеры ядер малы, их яркость намного выше яркости звезд, поэтому квазары выглядят на астрономических фотографиях точечными источниками.

Пожалуй, первым из фактов, позволивших найти место квазаров в общей семье астрономических систем, был химический состав их излучающих областей: они испускают линии тех же химических элементов, что и Солнце или облака газа в диске нашей Галактики. “Нормальный” химический состав квазаров прямо указывает на их родство с “обычными” звездными системами.

Очень важно, что параллельно с изучением квазаров продолжалось углубленное изучение галактик. Это позволило установить, что большая величина красного смещения - не исключительная привилегия квазаров. Оно было также обнаружено у галактики 3С295, проявляющей себя также повышенным радиоизлучением и занесенной в 3-й Кембриджский каталог. Это красное смещение даже больше, чем у двух первых квазаров 3С273 и 3С48. Наибольшее красное смещение, зарегистрированное у галактик, принадлежит галактике 3С324 из того же каталога. Методы наблюдения галактик со столь большими красными смещениями, примененные к квазарам, позволили непосредственно обнаружить вокруг самых близких из них протяженные светящиеся образования, которые оказались звездными системами, подобными обычным галактикам. В 1982 г. удалось наблюдать звездную систему вокруг ядра квазара 3С273.

Глубокое родство имеется и в проявлениях активности ядер галактик и квазаров. Значительное сходство выявляется между радиоизлучающими квазарами и радиогалактиками, т.е. галактиками с повышенным радиоизлучением.

Ядра квазаров и ядра галактик

Активные процессы в галактических ядрах стали предметом всестороннего изучения незадолго до открытия квазаров, с 1955 г., когда И.С. Шкловский дал объяснение явлению выброса из ядра галактики Дева А. В.А. Амбарцумян выдвинул общую концепцию активности ядер галактик и привлек к этому явлению широкое внимание астрономов. Различные проявления активности ядер - переменность, истечения и выбросы вещества, радиоизлучающие компоненты - достигают в квазарах максимальных масштабов по энергетике и пространственным размерам. Резервуаром и генератором энергии для этих явлений служит ядро квазара, которое должно быть массивнее и гораздо компактнее, чем самые мощные ядра галактик.

Еще в 60-х годах советский астрофизик Б.В. Комберг высказал гипотезу о том, что квазары (как и ядра активных галактик) представляют собой сверхмассивные двойные системы. Эта гипотеза, получившая в последние годы ряд подтверждений, нуждается в новых наблюдениях. Скорее всего, ядра квазаров - это и не звезды, и не простые их скопления, а компактные и очень массивные объекты, представляющие собой ядра чрезвычайно активных галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет и поэтому невидимых с больших расстояний. Подтверждением этому является, например, открытие светящегося гало вокруг квазара 3С273, что принято рассматривать как доказательство того, что данный квазар - далекая галактика.

Сходство выбросов у квазара 3С273 и у галактики Дева А - важное указание на общую природу явлений активности в квазарах и ядрах галактик. Не менее важно и то, что многие массивные эллиптические галактики являются источниками интенсивного радиоизлучения. Такова, например, галактика Лебедь А. Ее радиоизлучение было обнаружено случайно в 1946 г. По мощности излучения радиогалактика Лебедь А сравнима с квазарами 3С273 и 3С48, хотя и уступает самым мощным квазарам, светимость которых еще в 100 - 1000 раз больше.

Квазары и наша Галактика

Ядро нашей Галактики не принадлежит к числу активных. Центральную ее область невозможно наблюдать оптическими методами из-за поглощения света газопылевыми облаками, лежащими на луче зрения. Данные о ней получены из наблюдений в инфракрасном и радиодиапазонах электромагнитных волн, для которых облака прозрачны. В центре вращения Галактики находится довольно яркий радиоисточник Стрелец А; его радиосветимость сильно уступает светимости квазаров и активных ядер.



Список использованной литературы

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания.

2. Рузавин Г. И. Р 83 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов

3. Найдыш В.М. Концепция современного естествознания. «Гардарики»., Москва, 1999 г.

4. Горелов А.А. Концепция современного естествознания. Изд. «Центр», Москва, 1997 г.

5. Селье Г., «От мечты к открытию», М., 1987 г.

6. Засов А. В., Постнов К. А. Ядра галактик. Общие сведения. // Общая астрофизика.

7. Физический энциклопедический словарь. -- М.: Советская энциклопедия, 1984.

Размещено на Allbest.ru

...