I. Ответьте на вопросы.
1. Что значит стационарность и нестационарность Вселенной?
2. В чем разница между бесконечностью и безграничностью?
3. В каком смысле можно говорить о реликтовом излучении как об «ископаемом»? Что оно дало ученым? Почему оно не было обнаружено раньше?
4. Как можно доказать, что все произошло из «ничего»?
5. Чем отличается гравитационный коллапс от антиколлапсионного взрыва?
6. Какие процессы происходят в недрах галактики?
7. Какова структура галактики?
8. Что такое галактика, звезда, планета?
9. Чем «черная дыра» отличается от «белой дыры»?
10. Какова масса Солнца?
11. Из скольких планет состоит Солнечная система?
12. Чем звезды отличаются от планет и комет?
II. Прокомментируйте высказывания.
«Уже само наше существование влечет за собой строгий отбор типов Вселенной, которую мы могли бы познавать» (Дж. Барроу).
«Вот человек, следовательно, какой же должна быть Вселенная?» (Дж. Уилер).
«Евангелие от Иоанна» начинается так: «В начале было Слово». Что мог бы сказать современный ученый: «В начале было…» (дополните фразу).
«…Таким образом, вхождение времени в физику явилось заключительным этапом все более широкого „восстановления прав“ истории в естественных и социальных науках. Интересно отметить, что на каждом этапе этого процесса наиболее важной отличительной особенностью „историизации“ было открытие какой-нибудь временной неоднородности. Начиная с эпохи Возрождения западное общество вступало в контакт со многими цивилизациями, находившимися на различных этапах развития; в XIX в. биология и геология открыли и классифицировали ископаемые формы жизни и научились распознавать в ландшафтах сохранившиеся до нашего времени памятники прошлого; наконец, физика XX в. также открыла своего рода „ископаемое“ — реликтовое излучение, поведавшее нам о „первых минутах“ Вселенной. Ныне мы твердо знаем, что живем в мире, где сосуществуют в неразрывной связи различные времена и ископаемые различных эпох» (И. Пригожин, И. Стенгерс).
III. Прокомментируйте схему.
Эволюция Вселенной.
Большой взрыв? → темная эра? → образование звездных систем?
Вместо вопросительных знаков поставьте названия частиц, элементов и веществ, образовавшихся на каждой из этих стадий.
Вейнберг С. Первые три минуты. — М., 1981.
Лидсей Дж. Э. Рождение Вселенной. — М., 2005.
Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. — М., 1988.
Хойл Ф. Галактики, ядра и квазары. — М., 1968.
Черепащук А.М., Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. — Фрязино, 2007.
Ходж П. Революция в астрономии. — М., 1972.
Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. — М., 1976.
Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. — М., 1975.
Глава 6Современные науки о Земле
Земля, как и другие планеты Солнечной системы, образовалась из газопылевого облака, окружавшего Солнце, не более, чем через примерно 0,5 млрд. лет после образования Солнца. Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса 621 тонн. Плотность 5,5 г/см3. Скорость вращения Солнца вокруг Земли составляет 30 км/с. Основными компонентами облака были водород, гелий, а также присутствовали более тяжелые химические элементы. Когда земной шар стал остывать, более тяжелые металлы такие, как железо и никель, опустились в расплавленное ядро, а более легкие элементы такие, как кремний, начали формировать земную кору.
Земля состоит из внутренних и внешних оболочек. Среди внутренних оболочек выделяют мантию и внутреннее и внешнее ядро. Внутреннее ядро твердое и состоит в основном из железа. Во внешнем ядре, жидком, наряду с железом присутствует никель, кремний, сера и кислород. Выше ядра располагается мантия. Она составляет 70 % массы Земли и делится на верхнюю и нижнюю. Верхняя мантия состоит из силикатов железа и магния, нижняя включает смесь окислов магния, кремния и железа. Мантия — твердая, за исключением располагающейся в верхней мантии астеносферы — относительно тонкого пластичного слоя, в котором зарождается магма. Выше астеносферы располагается литосфера, включающая в себя самую верхнюю часть мантии и земную кору.
Внешние оболочки Земли состоят из земной коры, гидросферы и атмосферы. Толщина земной коры 10–80 км. По химическому составу в земной коре преобладает кислород, дальше следуют кремний, алюминий, железо. Земная кора делится на континентальную и океаническую, расположенную ниже уровня моря. Толщина океанической коры 7-10 км. Гидросфера покрывает основную долю земной поверхности. Она состоит из вод мирового океана (97 % всей воды Земли); из воды, испаряющейся с поверхности океанов и выпадающей в виде осадков на сушу, стекающей в ручьи и реки и опять впадающей в океан; из подземных вод, озер и рек; и из криосферы, включающей в себя всю замерзшую воду Земли в форме снега и льда.
В атмосфере Земли, масса которой 5 300 000 млрд. тонн, преобладают азот и кислород. Атмосферу разделяют на тропосферу (по высоте до 9-17 км) — «фабрику погоды», стратосферу (по высоте до 55 км) — «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.
Выделяют также магнитосферу, в которой действует магнитное поле Земли, ограничиваемое влиянием частиц солнечного ветра — газообразного вещества, состоящего из свободно движущихся ионов и электронов, вырабатываемого в солнечной атмосфере и выбрасываемого в солнечную систему. «Магнитное поле вокруг Земли сформировано вращением внутреннего ядра как твердого шара, различными течениями в жидком внешнем ядре и медленными течениями в мантии»[50].
Наука, изучающая строение и эволюцию Земли, называется геологией (от греч. «gё» — земля и «logos» — наука). Эта наука возникла в XVIII в., хотя данные о поверхности Земли и ее изменениях известны еще Древнему миру.
В XIX в. в геологии сформировались две концепции развития Земли: 1) посредством скачков («теория катастроф» Ж. Кювье); 2) посредством небольших постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Ч. Лайелля).
Успехи физики XX в. способствовали существенному продвижению в познании истории Земли. В 1908 г. ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи — атом — имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается. На свойстве радиоактивных элементов распадаться основано определение абсолютного возраста Земли и горных пород. В следующем 1909 г. русский ученый В.И. Вернадский основывает геохимию — науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции.
В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.
Все геологические процессы разделяют на эндогенные, связанные с внутренней динамикой Земли, и экзогенные, связанные с внешней динамикой Земли. К эндогенным процессам относят тектонические движения, землетрясения, вулканическую деятельность. Они вызываются эндогенными геодинамическими факторами, такими как распад радиоактивных химических элементов, движение литосферных плит, высокая температура, давление, вызываемое силой гравитации, и т. д. Следствием эндогенной динамической активности являются разломы земной коры, вулканы — возвышенности из горячей магмы, покинувшей земную кору (лава), вулканический пепел, покрывающий Землю в результате извержения, вулканические жерла — трещины или отверстия, идущие от магматической камеры к поверхности, кратеры — чашеобразные впадины, центрируемые над жерлом вулкана, термальные источники, гейзеры и т. д.
К экзогенным геологическим факторам относят выветривание — разрушение горных пород под влиянием воды, ветра, льда (экзогенные геодинамические факторы). Следствием экзогенной геодинамической активности являются оползни, образование пещер, заболачивание и т. д.
По мере получения новых данных о более древних пластах земной коры и более древних временах геология XX в. еще дальше продвинула представления об эволюции земного шара. Главный вывод об эволюции Земли соответствует тем результатам, к которым пришли в XX в. другие отрасли естествознания.
Горные породы, составляющие земную кору, делятся на осадочные — образовавшиеся в результате накопления осадков на дне водоемов, магматические — образовавшиеся в результате отвердевания расплавленных пород мантии, и метаморфические, представляющие собой вторично расплавленные и затвердевшие осадочные и магматические породы. Примерами этих типов пород соответственно будут известняк, гранит, мрамор.
Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была зеленым континентом. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после Великого оледенения.