Контрольная работа: Структурные уровни организации материи. Шпаргалка: Структурные уровни организации материи

Введение 2

1.Что такое материя. История возникновения взгляда на материю 3

2. Структурные уровни организации материи:
2.1 микромир 6
2.2 макромир 7
2.3 мегамиры 13

Заключение 24

Список использованной литературы 25

Введение

Все объекты природы (живой и неживой природы)можно представить в виде системы, обладающими особенностями, характеризующими их уровней организации. Концепция структурных уровней живой материи включает представления системности и связанной с ней организацией целостности живых организмов. Живая материя дискретна, т.е. делится на составные части более низкой организации, имеющие определенные функции. Структурные уровни различаются не только классами сложности, но и по закономерности функционирования. Иерархическая структура такова, что каждый высший уровень не управляет, а включает низший. Диаграмма наиболее точно отражает целостную картину природы и уровень развития естествознания в целом. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц и заканчивается живыми сообществами. Концепция структурных уровней впервые была предложена в 20-х г.г. нашего столетия. В соответствии с ней структурные уровни различаются не только по классам сложностью, но по закономерностям функционирования. Концепция включает в себя иерархию структурных уровней, в которой каждый следующий уровень входит в предыдущий.

Что такое материя? История возникновения взгляда на материю

Материя (лат. Materia – вещество), «…философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нас».
Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента. С точки зрения марксистско-ленинского понимания материи, она органически связана с диалектико-материалистическим решением основного вопроса философии; оно исходит из принципа материального единства мира, первичности материи по отношению к человеческому сознанию и принципа познаваемости мира на основе последовательного изучения конкретных свойств, связей и форм движения материи.
В основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.
Материя как объективная реальность включает в себя не только вещество в четырех его агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном, плазменном), но и физические поля (электромагнитное, гравитационное, ядерное и т. д.), а также их свойства, отношения, продукты взаимодействия. Входит в нее и антивещество (совокупность античастиц: позитрон, или антиэлектрон, антипротон, антинейтрон), недавно открытое наукой. Антивещество ни в коем случае не антиматерия. Антиматерии вообще быть не может.
Движение и материя органически и нерасторжимо связаны друг с другом: нет движения без материи, как нет и материи без движения. Иначе говоря, нет в мире неизменных вещей, свойств и отношений. «Все течет», все изменяется. Одни формы или виды сменяются другими, переходят в другие – движение постоянно. Покой – диалектически исчезающий момент в беспрерывном процессе изменения, становления. Абсолютный покой равнозначен смерти, а вернее – несуществованию. Можно понять в данной связи А. Бергсона, рассматривавшего всю реальность как неделимую движущуюся непрерывность. Или А.Н.Уайтхеда, для которого «реальность есть процесс». И движение, и покой с определенностью фиксируются лишь по отношению к какой-то системе отсчета. Так, стол, за которым пишутся эти строки, покоен относительно данной комнаты, она, в свою очередь, - относительно данного дома, а сам дом – относительно Земли. Но вместе с Землей стол, комната и дом движутся вокруг земной оси и вокруг Солнца.
Движущаяся материя существует в двух основных формах – в пространстве и во времени. Понятие пространства служит для выражения свойства протяженности и порядка сосуществования материальных систем и их состояний. Оно объективно, универсально (всеобщая форма) и необходимо. В понятии времени фиксируется длительность и последовательность смены состояний материальных систем. Время объективно, неотвратимо и необратимо. Следует различать философские и естественнонаучные представления о пространстве и времени. Собственно философский подход представлен здесь четырьмя концепциями пространства и времени: субстанциальной и реляционной, статической и динамической.
Основоположником взгляда на материю, как состоящую из дискретных частиц был Демокрит.
Демокрит отрицал бесконечную делимость материи. Атомы различаются между собой только формой, порядком взаимного следования, и положением в пустом пространстве, а также величиной и зависящей от величины тяжестью. Они имеют бесконечно разнообразные формы с впадинами или выпуклостями. Демокрит называет атомы также «фигурами» или «видиками», из чего следует, что атомы Демокрита являются максимально малыми, далее неделимыми фигурами или статуэтками. В современной науке много спорили о том, являются ли атомы Демокрита физическими или геометрическими телами, однако сам Демокрит еще не дошел до различения физики и геометрии. Из этих атомов, движущихся в различных направлениях, из их «вихря» по естественной необходимости путем сближения взаимноподобных атомов образуются как отдельные целые тела, так и весь мир; движение атомов вечно, а число возникающих миров бесконечно.
Мир доступной человеку объективной реальности постоянно расширяется. Концептуальные формы выражения идеи структурных уровней материи многообразны.
Современная наука выделяет в мире три структурных уровня.

2 . Структурные уровни организации материи

2.1 Микромир

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с.
Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи, позже, вXVIII в. была возрождена химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.
В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов.
История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Томсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.
Существовало несколько моделей строения атома.
В 1902 г. английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил первую модель атома - положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг».
В 1911 г. Э. Резерфорд предложил модель атома, которая напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.
Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов - атом электрически нейтрален.
Обе эти модели оказались противоречивы.
В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров.
Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:
1) в каждом атоме существует несколькостационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;
2) припереходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.
В конечном итоге точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует.
Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений.
Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

2.2 Макромир

Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.
В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.
Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-XVII вв. Наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.
Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов - мельчайших в мире частиц.
Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы.
Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начинать нужно с концепций классической физики.
Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира - механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы - научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. Галилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука».
И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.
В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц - атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.
Существенной характеристикой Ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи.
Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики.
Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.
Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области - оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.
Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно - на основе волновой теории, сформулированной X. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, - светоносного эфира. Исходя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света.
Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.
Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток.
М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».
Исходя из своих исследований, Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж. К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем в 1888 г.
После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.
Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.
В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

2.3 Мегамиры

Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 в минус восемнадцатой степени см., за время - порядка 10 в минус двадцать второй степени с. В мегамире ученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.
Мегамир или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел.
Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15- 20 млрд. световых лет.
Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие«Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.
Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания, находится на своеобразном стыке науки, религии и философии. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.
В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.
Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.
Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.
В 1922г. русский математик и геофизик А.А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с “расширяющимся” пространством.
Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.
В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал “расширение” пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.
В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10 -12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 10 96 г/см 3 . В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.
Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на «эры».
Эра адронов . Тяжелые частицы, вступающие в сильные взаимодействия.
Эра лептонов. Легкие частицы, вступающие в электромагнитное взаимодействие.
Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны.
Звездная эра. Наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.
Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.
В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной начиная с момента 10 -45 с после начала расширения.
Сторонники инфляционной модели видят соответствие между этапами космической эволюции и этапами творения мира, описанными в книге Бытия в Библии.
В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.
Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10 -50 см
Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10 -34 . Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10 -33 до невообразимо больших 10 1000000 см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной - 10 28 см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.
Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.
Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.
В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур - атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека.
Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10 -30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет.
Пока же эти модели с помощью знаний и фантазии можно рассчитывать на компьютере, а вопрос остается открытым.
Самая большая трудность для ученых возникает при объяснении причин космической эволюции. Если отбросить частности, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.
Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок.
В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы,
и т.д.................

Объективно ли такое явление, как эволюция? Можем ли мы поставить эксперимент, подтверждающий или опровергающий выводы теории эволюции? Можем ли мы познать сущность материи? Данная статья посвящена вопросам субъективизма в теории эволюции и креационизма.

Термин «эволюция» происходит от латинского evolution, что в переводе означает развертывание. Понятие эволюции используется в узком и широком смыслах. В узком смысле под эволюцией понимают медленное, постепенное изменение, приводящее к определенным количественным изменениям, после чего в результате качественного скачка – революции – происходит переход на новый качественный уровень. В широком смысле эволюция обозначает развитие, включающее в себя, в том числе и революционные преобразования.

Развитие характеризует качественные изменения объектов, появление новых форм бытия, существование различных систем, сопряженное с преобразованием их внутренних и внешних связей. Развитие позволяет описывать изменчивость Вселенной, возникновение природных форм, биологических видов и индивидов, преобразование общественных систем, обновление сил и способностей человеческой личности акцентирует внимание на качественных изменениях объектов и систем, сохраняющих их основные формы и функции.

Если прогрессивный характер развития живой Природы и общества не вызывает сомнений, то относительно развития физической материи высказывается множество различных мнений, вплоть до отрицания развития физической материи вообще. Установления же определенного характера биологической и социальной форм материи недостаточно для понимания развития материи, необходим более общий подход, охватывающий предысторию живой Природы и общества. Поэтому чрезвычайно важно для выработки определенного понимания развития установить, что такое развитие неживой Природы и, прежде всего, физической формы материи.

Природе приходится вольно или невольно приписать «ум» и «гениальность"» разумные творческие силы, превосходящие творческие силы человека, ибо признаки живых организмов таковы, что не могли быть достигнуты случайными слепыми мутациями и естественным отбором. Это наводит на мысль, что либо в самой Природе, либо за ее пределами есть некое Разумное Творческое Начало, управляющее предполагаемой эволюцией, если таковая вообще была.

Также живой Природе приходится приписать парадоксальную неравномерность и резкие скачки в развитии, что весьма плохо согласуется с концепцией постепенной эволюции и восхождения от менее совершенных форм к более совершенным. Впрочем, это еще не ставит под сомнение саму эволюцию.

Постепенный переход в увеличении приспособленности живых организмов и их морфофизиологической сложности представляется практически невозможным, особенно путем случайных слепых мутаций и естественного отбора, долженствовавшего уничтожить все предполагаемые переходные формы. Так что, если эволюция и была, то лишь неожиданными резкими «квантовыми» скачками, не допускающими постепенности, когда у родителей-предков сразу рождались потомки другого вида, рода и даже класса, причем в количестве, достаточном для воспроизведения. Это делает эволюцию вообще маловероятной.

Таким образом, имеются естественнонаучные основания, как минимум, усомниться в правильности современной теории эволюции. Эволюционное объяснение многих феноменов живой Природы практически невероятно, что свидетельствует против концепции естественного возникновения и эволюционного развития жизни. Остается только два варианта: жизнь в таком виде существовала всегда (мнение Вернадского), либо жизнь появилась неестественным, сверхъестественным образом – теория креационизма. Современные научные данные пока что свидетельствуют против концепции вечного существования жизни, ибо по современным данным: Вселенная не вечна, Солнечная система и планета Земля не вечны и, следовательно, биологическая жизнь не вечна. Остается креационизм, креационная наука. Креационная наука, исповедующая аксиому, что жизнь появилась внезапно, сверхъестественным образом и во всей полноте родов, которую мы ныне наблюдаем (более того, многие роды живого уже утрачены), хорошо подходит для объяснения многих феноменов Природы. Оснований достаточно, чтобы предположить воздействие на материю Разумного Творческого Начала. Однако это не значит, что существует полное превосходство креационизма над теорией эволюции.

Структурные уровни организации материи

Сначала вспомним, как в естествознании описывается материя.

В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир – это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.

Согласно современной естественнонаучной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем – неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура – это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являются горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями – вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир – область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10^-24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.

Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя все эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.

Структура мегамира. Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты – несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

Звезды – светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике – порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звезды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

Белый карлик – это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность – 10 т/см3, т.е. в сотни раз больше земной плотности.

Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, поскольку он состоит из протонов и нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами.

Черные дыры – это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (10^15 г) и аномально сильным гравитационным полем. Свое название они получили потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

Звездные системы (звездные скопления) – группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. В настоящее время известно более тысячи звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время ученым известно около 150 шаровых скоплений.

Галактики – совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Наша Солнечная система принадлежит к галактике Млечного Пути, включающей не менее 100 млрд. звезд и поэтому относящейся к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики составляет около 100 тыс., а толщина – 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.

Метагалактика – система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы:

1) световой год – расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;
2) астрономическая единица – это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;
3) парсек – единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк – 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн км, или 3,3 световым годам.

Структура макромира. Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами – удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира. Концепция элементарных частиц. Переход естественнонаучных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами. Одно из них – свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы – это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции – превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

Классификация элементарных частиц. Элементарные частицы – основные «кирпичики», из которых состоит как материя, так и поле. При этом все элементарные частицы неоднородны: некоторые из них являются составными (протон, нейтрон), а другие – несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называют фундаментальными.

В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. Некоторые из характеристик положены в основу классификации элементарных частиц.

Так, одной из важнейших характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на несколько групп:

• частицы, не имеющие массы покоя. К этой группе частиц относят фотоны, движущиеся со скоростью света;
• лептоны (от «лептос» – легкий) – легкие частицы (электрон и нейтрино);
• мезоны (от «мезос» – средний, промежуточный) – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;
• барионы (от «барос» – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).

Второй важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все многообразие элементарных частиц можно подразделить на три группы:

1) адроны (от «андрос» – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;
2) лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;
3) частицы – переносчики взаимодействий. Частицы – переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействие. К ним относятся фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Высказывается также предположение о существовании гравитонов – частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц выступает время их жизни, которое определяет их стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни составляет 10^-10– 10^-24 с, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10^-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, иначе их называют резонансами. Время жизни резонансов составляет от 10^-24 до 10^-26 с.

Важнейшей характеристикой частиц является спин – собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу. Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином – бозонами.

Фермионы – это не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2, – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, неодинаковы. Данный закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Бозоны – это кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, однако в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служит фотон, спин которого равен 1, и мезон, спин которого равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны.

Все перечисленные элементарные частицы являются переносчиками физических взаимодействий.

Теория кварков. В середине 60-х гг. XX в. число открытых адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельного уровня делимости материи. На основе этой гипотезы была создана теория кварков. Ее авторами стали физики Калифорнийского университета М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг. Термин «кварк» они позаимствовали из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!». Само по себе слово «кварк» не имеет какого-либо смыслового значения и в переводе с немецкого языка оно означает «чепуха», но авторы теории понимали его как гипотетический материальный объект, существование которого еще не доказано наукой. Имея форму гипотезы, кварковая теория тем не менее позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Аароны состоят из более мелких частиц – кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков – их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами – парами и тройками. Соединение трех кварков приводит к образованию барионов, кварка и антикварка – к образованию мезонов, трех антикварков – к образованию антибарионов. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными резонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.

Кварки различаются ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (т.е. как аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом: u (up – верхний), d (down – нижний), s (strange – странный), с (charm – очарование), b (beauty – прелесть), t (top – верхний). Их обозначают первыми буквами своих названий.

Кроме того, считается, что каждый кварк имеет один их трех возможных цветов, которые самими учеными выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Также понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире. Цвет кварка, как и аромат, – условное название для определенной физической характеристики этих частиц. Цвет кварка практически означает разновидность «заряда» сильного ядерного взаимодействия. «Заряд» сильного взаимодействия в физике именуется «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов», или цветов, – синего, зеленого, красного. Иначе говоря, каждый кварк может иметь «заряд» красного цвета, или «заряд» синего цвета, или «заряд» зеленого цвета. Понятие цвета было введено, чтобы не отказываться от запрета Паули, так как в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказывались вместе. Например, протон является комбинацией кварков uud, а нейтрон – udd.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, т.е. 12 фундаментальных частиц, призваны объяснить почти все многообразие частиц, кроме лептонов.

При объединении кварков и антикварков должны выполняться два условия:

1) суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или единицы;
2) кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности (конфайнмент). Их цвета («заряды») соединяются так же, как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый (бесцветный) цвет. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного – антикрасного, синего – антисинего и т.п.

Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют своего цвета и аромата. В слабых взаимодействиях кварки меняют аромат, но сохраняют цвет.

Движение и физическое взаимодействие. Связь, взаимодействие и движение представляет собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Долгое время в научной картине мира ведущая роль отводилась движению. Оно считалось важнейшей характеристикой материи. В широком смысле движение трактовалось как любое изменение, происходящее в природе. Но в физике движение понималось как механическое перемещение, изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. При этом признавалось, что в мире существуют и другие формы движения: биологическая, социальная, химическая, геологическая и др.

Несмотря на качественное разнообразие, у всех форм движения есть одна общая черта. Все они сводятся к взаимодействию тел, которое обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, их структурные связи и контакты с другими материальными системами. Взаимодействие – универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы. Таким образом, получается, что все свойства тел производны от взаимодействий. Для всякого объекта существовать – значит взаимодействовать, т.е. каким-либо образом проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях элементов системы, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в результате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи. В то же время всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Описание процесса взаимодействия, раскрытие его механизма и форм проявления составляют одну из центральных задач всей физики. В контексте этой задачи в науке сформировались два различных способа описания механизма физического взаимодействия, основывающиеся на принципах дальнодействия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия. Его автором стал И. Ньютон, который с помощью данного принципа пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей и посредников (агентов взаимодействия).

В XIX в. был сформулирован принцип близкодействия, который в настоящее время существует в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем от точки к точке с конечной скоростью. В XX в. принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

Обычно при физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. Если рассмотреть этот процесс более детально, то мы увидим, что в один момент времени первый объект потерял доли импульса и энергии, а второй объект в следующий момент времени их приобрел. В промежутке между первым и вторым моментами времени импульс и энергия должны принадлежать какому-то третьему материальному объекту – посреднику, который должен переместиться от первого объекта ко второму, затратив на это какое-то время.

На небольших расстояниях этим дополнительным временем можно пренебречь. Так, когда мы нажимаем кнопку выключателя, свет для нас загорается практически мгновенно. Однако чтобы свет дошел от Солнца до Земли, требуется уже около 8 минут, т.е. время для переноса взаимодействия становится заметным.

Таким образом, с точки зрения современной науки физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, т.е. идет с некоторым запаздыванием. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, этим запаздыванием можно пренебречь и приближенно считать его нулевым. Следовательно, многие процессы можно описывать, используя приближенный принцип дальнодействия.

В XX в. физика смогла еще глубже проникнуть в тайны физического взаимодействия, понять его механизм на уровне процессов, происходящих в микромире. Также удалось свести многочисленные виды взаимодействий, известные в физике, к небольшому числу фундаментальных физических взаимодействий. Любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи – так называемых фундаментальных физических взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

В основе каждого фундаментального физического взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности частиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда – квант – называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами.

Согласно современным представлениям любое взаимодействие происходит в соответствии с принципом близкодействия. Поэтому взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света. Воздействие передается через среду, разделяющую взаимодействующие частицы. Такой средой является вакуум, который в обыденном представлении ассоциируется с пустотой. На самом деле вакуум – это реальная физическая система, поле с минимальной энергией. Из него можно получить все другие состояния поля.

Для создания модели физического взаимодействия нужно вспомнить, что материя может быть разделена на поле и вещество, которые соответственно представлены частицами-бозонами и частицами-фермионами. В процессе физического взаимодействия всегда участвуют только частицы-фермионы (частицы вещества), а переносят взаимодействие частицы-бозоны (кванты полей).

Таким образом, теория физического взаимодействия использует следующую модель процесса:

• заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. Заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние;
• частицы поля являются виртуальными – существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены;
• оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот;
• обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица – переносчик взаимодействия.

Типы взаимодействий. Рассмотрим подробнее существующие физические взаимодействия. Для каждого взаимодействия можно назвать сферу его применения и значение для строения Вселенной, заряд – носитель взаимодействия и частицу – переносчик взаимодействия, результаты взаимодействия, место среди других взаимодействий, а также особенности, отличающие от других фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. В классической науке оно описывается законом всемирного тяготения, согласно которому между двумя телами существует сила притяжения, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Отсюда следует, что любая материальная частица является источником гравитационного взаимодействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы.

Гравитационное взаимодействие является наиболее слабым из всех известных современной науке взаимодействий, оно в 1040 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Чтобы эта величина стала понятнее, можно провести следующую аналогию: если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не электромагнитными силами, то радиус электрона в нем превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

Гравитация, будучи очень слабой силой, тем не менее определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик, концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Такая огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью. Ничто во Вселенной не может избежать этой силы. Все тела и частицы, не только имеющие массу, а также поля, участвуют в гравитационном взаимодействии. Это было выяснено еще Ньютоном в открытом им законе всемирного тяготения, который описывает гравитационное взаимодействие. Поэтому в микромире гравитационная сила слаба, она теряется на фоне куда более могучих сил. Зато в макромире она господствует. Правда, как считают ученые, при некоторых условиях гравитация может сравняться по своей значимости с другими силами, господствующими в микромире. Для этого требуется, чтобы вещество находилось в состоянии экстремально высокой плотности, равной 1094 г/см3 (планковская плотность).

Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью.

С точки зрения современной науки гравитационное взаимодействие должно происходить по предложенной нами модели. Гравитационный заряд равен инертной массе вещества. Он создает вокруг себя гравитационное поле (поле тяготения). Это поле должно иметь свою бозонную частицу. Ее назвали гравитоном. Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между гравитонами, или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам. Поскольку экспериментально эта частица еще не обнаружена, она считается гипотетической. Тем не менее, косвенно ее существование удалось подтвердить.

Согласно современным представлениям движение тела, обладающего массой, под действием силы вызывает возмущение своего же гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Поскольку гравитационная сила очень мала, то ее волна имеет малую амплитуду. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды, создают гравитационные волны, лежащие за пределами чувствительности современных регистрирующих приборов. Именно поэтому гравитоны до сих пор не обнаружены.

Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания (антигравитации). Даже в антимире, если он существует, все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии. Поэтому гравитация всегда проявляется только как притяжение.

Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и осуществляется между любыми телами в микро-, макро-и мегамире. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения; им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий. Поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромагнитные взаимодействия являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, электромагнитное взаимодействие подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.

В отличие от гравитационной силы, электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле – между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное – между двумя движущимися заряженными частицами.

В современной физической картине мира основой теории электромагнитного взаимодействия является теория электромагнитного поля Дж. Максвелла. Однако современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Электрический заряд создает поле, переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных – отталкивания. В этом состоит еще одно отличие электромагнитного взаимодействия от гравитационного, которое проявляется только как притяжение.

Слабое взаимодействие – третий тип фундаментального взаимодействия, которое действует только в микромире. Физической основой этого типа взаимодействия служит процесс распада частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Слабое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Слабое взаимодействие значительно слабее электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось.

Модель слабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявление единого, более глубокого электрослабого взаимодействия. Так, на расстоянии более 10-17 см преобладает электромагнитный тип, а на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и элетромагнитный, и слабый типы.

Теория электрослабого взаимодействия исходит из существования единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях), сравнимых с теми, которые имели место в первые мгновения существования Вселенной после Большого взрыва, структура вакуума нарушается, и она не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную форму. В результате заряд распадается на две части – электромагнитный и слабый заряд, а переносчик электрослабого взаимодействия – на четыре составляющих (фотон – переносчик электромагнитного взаимодействия и три тяжелых векторных бозона – переносчики слабого взаимодействия).

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий стало важным научным открытием, поскольку позволило успешно описать все процессы, происходящие при энергиях от долей электронвольта до сотен гигаэлектронвольт. Кроме того, эта теория позволила также объяснить превращение элементарных частиц друг в друга и понять сущность и механизм протекания термоядерных реакций, происходящих на Солнце и большинстве звезд.

Сильное взаимодействие , занимающее первое место по силе и являющееся источником огромной энергии, также было открыто только в XX в. Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки и антикварки в адроны. С его помощью ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания.

Исходным положением теории является постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, зеленого). Они присущи кваркам и выражают способность вещества к сильному взаимодействию. Цвет кварков подобен электрическому заряду. Как и электрические заряды, одноименные цвета отталкиваются, разноименные – притягиваются. Когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами – бозонами. Переносчики сильного взаимодействия названы глюонами (от англ. glue – клей). Они, подобно фотонам, имеют спин, равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия – до 10-13 см (порядка атомного ядра).

Электрический заряд есть только один, хотя он и может принимать положительные и отрицательные значения. Поэтому фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – электрически нейтральны, они не переносят заряда. Когда кварки взаимодействуют друг с другом, они излучают глюоны и переходят в другое цветовое состояние. Поэтому глюоны тоже имеют цветовой заряд. Всего существует восемь глюонов – переносчиков сильного взаимодействия.

Все фундаментальные взаимодействия зависят от расстояния между зарядами – с уменьшением расстояния между ними сила взаимодействия возрастает (обратно пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие тоже зависит от расстояния между цветовыми зарядами, но прямо пропорционально. Из-за особых свойств глюонного поля цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе расположены друг к другу. На малых расстояниях кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Но как только расстояние между кварками начинает увеличиваться, сила взаимодействия возрастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Лишь в первые моменты после Большого взрыва в силу существовавших огромных температур было возможно свободное существование кварков.

Ядерное взаимодействие. До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. Однако с открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветные силы. Теория предполагает, что при сближении барионов (протонов и нейтронов) на расстояние меньшее, чем 10^-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер. Таким образом, кварки всех барионов связываются в единую систему – атомное ядро.

Происхождение неживой материи, Вселенной

Отдельным участком астрономии есть космология. Она занимается проблемами происхождения Вселенной.

Вот вопросы, на которые должна отвечать космология:

• как мог возникнуть Большой взрыв вопреки основному закону природы – закону сохранения энергии? Причем еще и с немыслимой температурой, вопреки законам термодинамики?
• почему Вселенная имеет ячеистую структуру сверхскоплений и скоплений галактик? И почему она все время расширяется совсем не так, как должна бы после взрыва и даже в следствие некой «инфляции»? Ведь разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а лишь скопления галактик. В то время как звезды и галактики, наоборот, как бы связаны друг с другом и образуют устойчивые структуры? Причем скопления галактик, в каком направлении ни посмотри, разбегаются примерно с одинаковой скоростью? Причем, не замедляясь, а ускоряясь?
• почему Вселенная имеет повсеместно неравномерную температуру звезд и тел, но строго равномерное во всех точках межзвездного пространства микроволновое излучение, около 2,73 градусов выше абсолютного нуля (отклонения не превышают 10^?4 градуса)? Так не бывает после взрывов.
• почему Вселенная состоит из вещества, и нигде в ней не встречается антивещество?
• почему галактики и звездные системы имеют, как правило, формы плоских дисков?
• какая сила привела во вращение все звездные системы и галактики?
• почему заряд электрона по модулю строго равен заряду протона, который имеет массу на три порядка большую, чем электрон, и якобы состоит из кварков с дробными зарядами?
• почему атомы даже самых тяжелых элементов, в которых более сотни электронов якобы распределены по 4-м энергетическим уровням и 7-ми слоям-орбиталям, по размеру оказываются почти такими же, как и легчайший атом водорода, имеющий один электрон? И почему не все атомы круглые?
• почему черные дыры, которые по логике имеют якобы равномерную объемную плотность, взаимодействуют с видимой материей так, что она собирается возле них в «спирали»?
• что придает всем телам во Вселенной свойство гравитации?
• что придает всем телам, галактикам, скоплениям галактик во Вселенной свойство инерции? Если бозон Хиггса, тогда каким же образом он придает ее всему?
• как возникла Луна и почему она всегда обращена к Земле лишь одной стороной?

Подавляющее большинство современных астрономов – материалисты. Они решают для себя проблему происхождения Вселенной в материалистическом ключе. Причем, в материалистической космологической мысли можно выделить два принципиальных направления: 1) вечная Вселенная без начала и конца; 2) невечная Вселенная, имевшая во времени конкретное начало и будет иметь конец.

Сразу укажем, что первая мысль противоречит всем основным научным сведениям. Наша Вселенная однозначно началась во времени, и большинство процессов в ней протекает необратимо (стрела времени) – Вселенная будто «раскручивается», бывши первоначально «закрученной» (II-й закон термодинамики).

Существует еще одно, третье направление, являющееся своеобразным симбиозом первых двух, – а именно, гипотеза «вечно-невечной» Вселенной. Эту гипотезу можно коротко сформулировать так: внутри большой Вселенной-вакуума, не имеющей начала и конца во времени, беспрерывно спонтанно возникают меньшие Вселенные с началом и концом, наподобие нашей («Вселенная, вечно воссоздающая себя»).

Идея вечной Вселенной наиболее удобна для эволюционистов, а вышеприведенная третья формулировка как раз и позволяет оставаться на позициях вечности. По этой причине, большинство эволюционистов отвергло идею о вечности нашей Вселенной и перешло к третьему направлению, то есть, к идее вечности большой Вселенной.

Итак, наиболее распространенной моделью материалистической космологии есть «супер Вселенная», внутри которой, словно пузырька в кипящей жидкости, постоянно «самовзрываются» сравнительно маленькие Вселенные со случайным набором внутренних параметров (фундаментальные константы и физические законы); при определенных значениях фундаментальных констант новорожденная Вселенная приобретает сложную внутреннюю структуру со стабильными атомами и высокоорганизованными атомарными системами [Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. - М.: Наука, 1990. - С. 157].

Что же касается отдельного участка этой общей модели – а именно, происхождения отдельного «пузырька» (нашей Вселенной) – то здесь эволюционисты сошлись на теории «Большого Взрыва».

Эта основополагающая концепция происхождения сложной организации неживой материи базируется на космологических моделях начала минувшего века. В 1917 году Эйнштейн на основании только что открытой им общей теории относительности, получает первую теоретическую стационарную модель Вселенной, выраженную в двух коротких уравнениях. В 1923 году советский математик Александр Фридман получил общие решения этих уравнений и продемонстрировал нестационарность эйнштейновской Вселенной, предложив теорию расширяющейся Вселенной. Через 6 лет американец Эдвин Хабл открывает явление красного сдвига, состоящее в сдвиге положения характерных спектральных полос на спектре электромагнитного излучения звезд в сторону более низких частот (к инфракрасной области). Причиной этого может быть разбегание галактик (допплеровский сдвиг частоты). Далее, в конце 1940х годов американец, русский по происхождению, Георгий Гамов с учениками выдвигает гипотезу, что расширению Вселенной может существовать подтверждение в виде «остаточного» электромагнитного излучения с характерной температурой ~5 К. В 1965 году такое явление было действительно наблюдено Уильсоном и Пензиасом (микроволновая фоновая радиация). Характерная температура составляла ~2,7 К. Реликтовое излучение оказалось квазиизотропным (приблизительно одинаковым по всем направлениям), то есть не исходящим от какого-либо одного конкретного источника. На каждую частицу во Вселенной приходится приблизительно 1 млрд. фотонов микроволновой фоновой радиации.

Подытожим историю развития теории большого взрыва такой формулой:

Теория большого взрыва:
Общая теория относительности >
Идея, что Вселенная расширяется >
Идея, что Вселенная раньше имела высокую температуру
+ Два аргумента в подтверждение.

Теория большого взрыва служит отправным пунктом в построении других астрономических моделей происхождения: происхождение галактик и планетных систем, рождения и жизни звезд и т.п.

Согласно представлениям большинства современных астрономов [Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. - М.: Наука, 1990. - С. 93-150 та Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. - Библиотечка «Квант», вып. 68], развитие Вселенной имело такую хронологию. В начале (10-20 млрд. лет тому назад) вся материя находилась в состоянии чрезвычайно высокого давления и температуры. Причем, вещество, то есть элементарные частицы, а также законы взаимодействия между ними, находились не в реальной, а виртуальной (потенциально возможной) форме. (Нужно, наверное, так понимать, что сначала вещество было виртуальным, а потом внезапно стало реальным, поскольку невозможно говорить о высоком давлении и температуре виртуального вещества.) Потом в этой первоначальной Сингулярности объемом ~1 см3 произошла какая-то флюктуация (отклонение), и она начала расширяться, что сопровождалось ее охлаждением. Скорость расширения Сингулярности сначала была максимальной, но спадала по мере расширения. На протяжении только первой секунды объем Сингулярности возрос так сильно, что температура упала на 30 порядков – от ~1040 К до ~1010 К (!). Это очень напоминает процесс взрыва, откуда и название теории. Материя начала «свертываться» в атомные ядра и электроны, те «слипались» в звезды и планеты. Образовывались звездные системы, галактики и скопления галактик. Возникли (в теперешнем виде) не только все элементы материи, но и все основные законы ее функционирования, например, закон гравитации. Этот закон заставляет все космические единицы вращаться вокруг более крупных единиц: спутники вращаются вокруг планеты, планеты – вокруг звезды, звезды – вокруг центра галактики, галактики – вокруг центра галактических скоплений. Из химических элементов первым образовался однопротонный водород. Водород был очень горячим. Гелий возник как продукт термоядерного синтеза водорода. Литий и прочие легкие элементы (до железа) тоже могли образоваться от термоядерного синтеза более простых элементов. Нуклеосинтез (синтез ядер) длился лишь первые 300 секунд. Через миллиард лет, когда сформировались галактики и звезды, он возобновляется. Во вспышках сверхновых звезд теоретически мог происходить нуклеосинтез тяжелых элементов (тяжелее железа). Рис. 5 изображает хронологию событий после «рождения»[ Климишин И.А. Элементарная астрономия. - М.: Наука, 1991. - С. 187].

Происхождение материи в этой теории рассматривается от взрыва Сингулярности и дальше. Откуда взялась сама Сингулярность – авторы не говорят. Если постулировать сложность Вселенной следствием сложности Сингулярности, то такая теория была бы просто попыткой уйти от ответа на вопрос о Происхождении. Авторы теории так не делают. Чтобы быть последовательными материалистами, они предлагают рассматривать первоначальную Сингулярность как неупорядоченную, как энергетическую мешанину, а сложность строения Вселенной – следствием «бездумного» самособирания отдельных элементов Сингулярности. Материалисты верят, что сложность устройства Вселенной и высокая подогнанность его параметров случайна и вполне возможна, а также, что Вселенная развивается от нулевой (или очень низкой) организации к высокой. Имеет место последовательное развитие главной мысли материализма, перенесение материально-случайной логики на проблему происхождения неживой материи.

Гипотеза «Большого Взрыва» и образования Вселенной

Вначале о веществе. Вещество состоит из атомных ядер – нуклидов. В ядре находятся протоны и нейтроны. Их называют нуклонами. Число протонов определяет заряд ядра (Z), а общее число протонов и нейтронов (N) – массовое число, или массу ядра (А), т.е Z + N = A Фактически эти два параметра ядра – Z и A - определяют характеристики нуклида и самого вещества.

Так, например, водород, наиболее распространенный и легкий элемент во Вселенной, имеет Z = 1 (его обозначение 1Н), а среди наиболее тяжелых и редких – уран имеет Z = 92 (92U). Одной из задач астрофизики как раз и является выяснение происхождения и распространенности отдельных нуклидов во Вселенной, а их примерно 300.

«Большой Взрыв» – это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объеме Вселенной. В начальный момент Вселенная имела гигантскую плотность и температуру.

Согласно гипотезе «Большого Взрыва», первоначальное состояние Вселенной характеризовалось чрезвычайно большой плотностью и температурой, недостижимыми современной физикой. В пределе в момент времени нуль, 10-20 млрд. лет назад, вся материя находилась в сингулярности – в бесконечно малой области с бесконечно большой плотностью и температурой. По неизвестной науке причине в момент времени «нуль» произошел так называемый «Большой Взрыв», в результате которого материя (частицы, античастицы и излучение) стала расширяться, заполняя все больший объем, причем состояние и свойства материи были однородными и изотропными (без выделенных областей или направлений), а плотность и температура частиц, античастиц и излучения снижались.

Собственно сам «Большой Взрыв» нельзя называть взрывом в обыденном смысле этого слова, поскольку при всех известных взрывах не достигается однородного и изотропного разлета материи. Существующие теории вещества, излучения и гравитационного поля, как предполагается, применимы к материи, плотность которой ниже планковской плотности (10^93 г/см^3), а температура ниже планковской температуры (10^32 К). Согласно фридмановской модели, указанные значения плотности и температуры наступили через планковское время (10^-43 с) после начала расширения материи, т.е. от момента «Большого Взрыва». Все процессы, которые происходили в интервал времени до планковского остаются невыясненными для современной науки. Начиная с планковского времени, можно высказать предположения какие процессы и как происходили в первичной материи. При столь высоких температурах энергии фотонов было достаточно для рождения пар всех известных науке частиц и античастиц. Так, при температуре порядка 10^13 К протекали реакции рождения и уничтожения нуклонов (протонов и нейтронов) и антинуклонов, а также мезонов, электронов и позитронов, нейтрино и антинейтрино и др. По мере понижения температуры до 5*10^12 К прекратились реакции рождения фотонами нуклон-антинуклонных пар; нуклоны и антинуклоны аннигилировали и остался небольшой (относительная доля 10^-9) остаток избыточных нуклонов, для которых не хватило античастиц. Из этих избыточных нуклонов позднее составится все вещество Метагалактики. Причина наличия избыточных нуклонов (протонов и нейтронов) науке не известна. При температуре порядка 10^11 К плотность материи уменьшилась до плотности ядерного вещества. С этого момента времени, как считается, возможно изучение эволюции материи по твердо установленным ядерной физикой законам. При температуре примерно 2*10^10 К электронные нейтрино перестали активно взаимодействовать с частицами и отделились в свободный нейтринный газ, для которого вся материя вселенной стала прозрачной.

В течение короткого промежутка времени после Большого взрыва – всего 10-36 сек – крохотная Вселенная была заполнена фундаментальными частицами. Эти частицы, в отличие от нуклидов, протонов и нейтронов – неделимы. Из них и состоят, собственно, протоны и нейтроны – основа ядерной материи. Это – фундаментальные фермионы, взаимодействующие друг с другом посредством единого, на тот период развития Вселенной, фундаментального взаимодействия. Как происходило такое взаимодействие? Через частицы. Они называются бозонами. Их четыре: фотон (гамма-квант), глюон и два бозона – W и Z. А сами фундаментальные частицы, т.е. фермионы – это шесть видов кварков и шесть видов лептонов.

Именно эта группа частиц из 12 фермионов, взаимодействующих друг с другом посредством 4-х бозонов, по сути и есть зародыш Вселенной. Но это еще неполная картина. Среди кварков и лептонов были их антиподы – античастицы, отличавшиеся от обычных частиц знаком некоторых характеристик взаимодействия. В простейшем случае – это электрический заряд. Например, один из лептонов – электрон (е-) может быть как отрицательно заряженным, так и положительно (в этом случае его называют позитроном (е+). Античастицы существуют почти у всех частиц, за исключением фотона (гамма) и некоторых других. Для них античастицами являются они сами.

Сверхвысокие начальные температуры Вселенной приводили к столкновениям частиц и их взаимному превращению. Так, из пары фотонов могли образоваться электрон и позитрон, а столкновение последних (процесс взаимодействия частицы и античастицы называется аннигиляцией) привести к рождению вновь пары фотонов:

(2гамма) -----> (е+,е-)
(е+,е-) -----> (2гамма)

Было возможным и появление новых частиц – нейтрино (ню) и антинейтрино (антинейтрино):

(е+,е-) -----> (ню,антинейтрино)

А взаимодействие нейтрино со своей античастицей приводило вновь к появлению электрона и позитрона.

Взаимные превращения частиц в условиях сверхвысоких температур напоминали «кипящий суп», в котором число частиц и античастиц было равным. Это означает, что наряду с Вселенной существовала и Антивселенная. Сейчас, через многие миллиарды лет после этого момента, делаются попытки найти ее или то, что от нее осталось.

Современная физика полагает, что частицы – фермионы и бозоны, появившиеся сразу после Большого взрыва, неделимы. «Полагает» – означает, что нет пока никаких сведений об их внутреннем строении. Фермионы и бозоны были безмассовыми где-то вплоть до 10-10 сек развития Вселенной и составляли, так называемый «кипящий суп», крохотной Вселенной. Они взаимодействовали друг с другом по единому закону Великого объединения.

На 10^-36 сек эпоха Великого объединения рухнула. Характер взаимодействия частиц начал меняться. Слияние частиц и образование более тяжелых было невозможным, пока Вселенная имела высокую температуру.

Охлаждение Вселенной продолжалось в течение 1 микросекунды. За это время частицы, наполняющие крохотную, размером не более 10^-14 см, Вселенную, приобретают массу, их энергия увеличивается, и появляются новые частицы – «настоящие» кварки – с массой – кирпичики той материи, из которой и состоит современная Вселенная. Стало возможным слияние кварков в более массивные частицы – адроны и антиадроны.

Но Вселенная продолжала остывать, и это привело к уменьшению числа адронов по сравнению с числом лептонов. Среди лептонов имеются нейтрино. В этот период жизни Вселенной (на этот момент ей исполнилось примерно 10 сек) нейтрино, практически не обладающие массой, оказались на свободе: их расширение происходило независимо от всех остальных частиц. Это – реликтовые нейтрино. Ожидается, что они сохранились до сих пор.

Тем временем, аннигиляция частиц продолжалась, что вызвало увеличение числа фотонов. Вселенная стала состоять практически из одного излучения – фотонов и нейтрино. Это была радиационная эра в ее развитии. Дальнейшее уменьшение температуры за счет расширения Вселенной и уменьшение энергии излучения привело к тому, что через десятки тысяч лет после Большого взрыва вещество начинало преобладать над изучением, и практически перестало взаимодействовать с излучением. А через сотни тысяч лет после Большого взрыва Вселенная как будто «забыла» о своем исходном состоянии.

Из-за расширения Вселенной температура космологического нейтринного газа постепенно снизилась и в настоящее время должна составлять примерно 2 К, а плотность порядка 450 нейтрино на 1 см^3. Наука пока не в состоянии обнаружить космологические нейтрино. Если окажется, что нейтрино имеют массу покоя, то эти частицы внесут весьма большой вклад в среднюю плотность материи – на порядок большую, чем плотность непосредственно наблюдаемого вещества. Когда температура материи снизилась до (1-2)*10^9 К наступил и продлился несколько секунд (1-3 с) период активного ядерного синтеза: протоны и нейтроны образовали ядра гелия, других же элементов образовалось исчезающее мало. В результате ядерного синтеза во вселенной на ядра водорода (протоны) должно приходиться 75% общей массы нуклонов, а на ядра гелия – 25%. Такое же соотношение для ядер водорода и гелия реально наблюдается, что, как считается, подтверждает гипотезу «Большого Взрыва». (Количество гелия, образовавшегося при термоядерном горении водорода в звездах за все прошедшее время, оценивается всего лишь в 2% по массе.) После стадии термоядерных реакций температура материи была настолько высока, что вещество еще примерно 1 млн. лет оставалось в состоянии плазмы, равновесной с излучением. При температуре плазмы порядка 4000 К произошла рекомбинация – протоны присоединили электроны и образовался нейтральный водород; несколько ранее образовался нейтральный гелий. Наступила эпоха разделения вещества и излучения: фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом и стали распространяться свободно в ставшем для них прозрачном мире. Можно сказать, что в космосе вспыхнул свет, поскольку фотоны имели планковский спектр, максимум которого соответствовал температуре 4000 К, что характерно для видимого (в оптическом диапазоне) света. Вещество – первичные газообразные водород и гелий – позднее образовало звезды и галактики. Излучение же, по причине расширения Метагалактики, постепенно снизило свою температуру (длина волны увеличивалась пропорционально радиусу вселенной), и сейчас регистрируется как микроволновое фоновое (реликтовое) излучение с температурой 2,7 К, длиной волны от 60 см до 0,6 мм (максимум излучения при 1,1 мм) и плотностью 400-500 фотонов на 1 см^3.

Реликтовое излучение. Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из электронов, барионов и постоянно излучающихся, поглощающихся и вновь переизлучающихся фотонов. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, сталкиваясь с ними и обмениваясь энергией – имели место рассеяние Томсона и Комптона. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно черного тела.

По мере расширения Вселенной, космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, и на определенном этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы (этот процесс называется рекомбинацией). Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет.
Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц стало меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение и составляют те фотоны, которые были в то время излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, в связи с уже идущей рекомбинацией избежали рассеяния, и до сих пор достигают Землю через пространство продолжающей расширяться вселенной. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это – самый удаленный объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.

В результате дальнейшего расширения Вселенной, эффективная температура этого излучения снизилась почти до абсолютного нуля, и сейчас составляет всего 2,725 К.

Наличие реликтового излучения считается еще одним подтверждением гипотезы «Большого Взрыва». Реликтовое излучение характеризуется высокой степенью изотропности, что подтверждает предположение о высокой изотропности первичного вещества во вселенной. Незначительные различия в интенсивности реликтового излучения, принимаемого от различных участков небесной сферы (анизотропия) несут информацию о характере первичных возмущений в веществе, которые, как полагают, в дальнейшем привели к образованию звезд, галактик и их систем.

Рис. Диаграмма Большого взрыва – сотворения мира с основными моментами и характеристиками расширяющейся Вселенной. До 10^-43 сек господствовала эпоха Великого объединения всех трех взаимодействий, закончившаяся на 10-6 сек слиянием кварков в адроны. На 10 секунде наступила эра доминирования излучения над веществом (радиационная эра). Лишь через 40000 лет вещество начало преобладать над излучением, что привело к образованию атомов (через 4000000 лет). Эра вещества продолжается до наших дней, спустя 15 миллиардов лет после Начала.

Важной проблемой, которую должна была решить гипотеза «Большого Взрыва», это механизм образования звезд, галактик и их скоплений, ведь вещество и излучение были распространены однородно и изотропно. И в настоящее время наблюдается однородность вещества в крупных масштабах порядка 100 Мпк, отражающая однородность вещества в далеком прошлом. Но в более мелких масштабах наблюдаются неоднородности плотности вещества – вещество сосредоточено в галактиках и их скоплениях. Для того, чтобы однородно распределенное вещество подверглось фрагментации, необходимо существование отклонений от однородности, причем только возмущения плотности с характерными размерами, превышающими критический размер (джинсовскую длину волны), способны нарастать и увеличиваться, тогда как остальные возмущения плотности постепенно затухают. Критический размер возмущений плотности вещества зависит от его температуры и средней плотности. Проблема заключается в том, чтобы согласовать гипотезу расширяющейся Вселенной с гипотезой образования галактик и их скоплений, имеющих конкретные размеры и плотность вещества. Трудности на этом пути еще не преодолены.

Гравитационная неустойчивость вещества должна приводить не только к образованию галактик и их скоплений, но и к образованию значительно меньших объектов – звезд. Предполагается, что звезды могут образовываться из газо-пылевых комплексов массой от 10^3 до 10^4 масс Солнца, размерами 10-100 пк (парсек) и температурой десятки кельвинов. По мере сжатия таких комплексов происходит нагрев вещества и потеря тепла за счет мощного инфракрасного излучения. Сжимаясь, газо-пылевое облако дробится на все более мелкие фрагменты – протозвезды, которые, продолжая сжиматься, дают начало звездам. Наблюдения вселенной подтверждают, что в межзвездных газо-пылевых комплексах действительно существуют компактные источники инфракрасного излучения, что, как считается, свидетельствует в пользу продолжающегося и по настоящее время процесса звездообразования. Постепенно сжимаясь, протозвезды становятся все более непрозрачными для инфракрасного излучения, поэтому они нагреваются и достигают температур, когда начинается термоядерный синтез гелия за счет водорода, т.е. рождаются звезды.

Звезды проходят длительный этап эволюции, в течение которой они тратят ядерное горючее и прекращают свое существование. В недрах звезд происходит синтез химических элементов, причем таким способом возможно образование элементов вплоть до железа. Более тяжелые элементы образуются на конечных стадиях эволюции звезд – при взрывах так называемых сверхновых звезд. В ходе эволюции звезд Вселенная обогащается тяжелыми химическими элементами, выброшенными первыми звездами при истечении вещества или при взрывах. Звезды последующих поколений, и в частности, как полагают, Солнце, образовались уже из вещества, обогащенного тяжелыми элементами. Возраст старых звездных скоплений в нашей Галактике оценивается в 10-15 млрд. лет, возраст нашего Солнца – 4,6-5 млрд. лет. Эти цифры получены в рамках теории эволюции звезд по наблюдаемым значениям их светимости и массы.

В космологической модели Фридмана-Леметра с учетом конкретных данных по разбеганию галактик (значения постоянной Хаббла) возраст вселенной (Метагалактики) оценивается в 10-20 млрд. лет. Дальнейшая судьба вселенной зависит от средней плотности вещества в ней, точнее от соотношения между средней плотностью материи и критической плотностью, равной в настоящее время 5*10^-30 г/см^3. При плотности материи, превышающей критическое значение, рано или поздно произойдет остановка расширения и начнется обратное сжатие вселенной. (Некоторые ученые предполагают, что сжатием история вселенной не заканчивается. После сжатия вселенная вновь пройдет стадию сингулярности и опять начнет расширяться, и так без конца, периодически пульсируя. Но это всего лишь одна из многочисленных гипотез.) При плотности равной критической расширение будет постепенно замедляться до нулевой скорости. При плотности материи меньше критической расширение вселенной никогда не прекратится. По современным данным в настоящее время плотность материи ниже критической. Однако, возможно существование скрытой массы (сосредоточенной, например, в нейтрино), превышающей всю видимую массу вещества, и вносящей существенный вклад в общую плотность материи. В настоящее время вопрос о дальнейшей судьбе вселенной остается открытым.

Таким образом, мы кратко рассмотрели космологическую модель нестационарной расширяющейся Вселенной в рамках гипотезы «Большого Взрыва». Считается, что эта гипотеза подтверждается такими фактами: красным смещением спектра свечения галактик (разбеганием галактик); наличием микроволнового фонового (реликтового) излучения с температурой 2,7 К; наблюдаемыми количествами химических элементов во вселенной: 75% общей массы нуклонов приходится на водород и 25% - на гелий, остальных элементов – незначительная доля, а также сопоставимостью возраста звездных объектов и времени их эволюции с возрастом Метагалактики. Но у гипотезы «Большого Взрыва» имеются свои трудности.

Первая трудность возникает с самого начала – с момента существования сингулярности, когда вся материя была сжата в точку до бесконечной плотности и имела бесконечную температуру, что физически непостижимо. К той же трудности можно отнести самый ранний этап развития Вселенной, когда ее плотность и температура превышали планковские значения плотности и температуры. Современная наука не может описать состояние материи с такой плотностью и температурой, а тем более наукой необъяснимо состояние сингулярности.

Вторая трудность связана с первой и выражается вопросом: почему произошел «Большой Взрыв» и сингулярность исчезла? Каковы причины и механизмы этого глобального явления? Наука ничего здесь не может сказать.

Третья трудность также связана с первой и выражается вопросом: что было до сингулярности, или откуда появилась Вселенная? Чтобы обойти этот вопрос предлагали версию вечно пульсирующей Вселенной – периодически расширяющейся и сжимающейся. Однако в таком случае возникают другие вопросы: что побуждает Вселенную после сжатия вновь начинать расширение?

Четвертая трудность опять же связана с первой и состоит в том, что непонятны условия, благодаря которым «Большой Взрыв» привел к однородному и изотропному расширению Вселенной, а не расширению в виде разлета отдельных «осколков» или струй, как это бывает при взрывах. Кроме глобальных неразрешимых вопросов, связанных с сингулярностью и причиной возникновения «Большого Взрыва», существуют и другие, более «прозаические» проблемы. Например, не ясно, почему количество нуклонов во Вселенной оказалось немного большим количества антинуклонов, так что этот избыток сформировал все существующее ныне вещество?

Еще один вопрос связан с тем, что гипотеза «Большого Взрыва» пока не может объяснить существование галактик и их скоплений. Следующая проблема состоит в том, что в рамках нестационарной расширяющейся Вселенной материя была однородной, но при этом существовало большое количество пространственных областей, не связанных друг с другом причинными связями. Т.е., не ясен механизм или причина, приводящая к установлению высокой степени однородности в этих не связанных друг с другом областях. Непонятно почему плотность материи в современной Метагалактике близка к критической. И наконец, как уже говорилось, непонятно, как мог образоваться определенный спектр первичных возмущений плотности вещества, чтобы образовались галактики и их скопления. Чтобы как-то объяснить причину однородности материи и ответить на два следующих вышеперечисленных вопроса была предложена довольно странная, так называемая «инфляционная модель» Вселенной, согласно которой на самых ранних этапах расширение вселенной шло ускоренно по экспоненте, при этом давление среды было отрицательным, а плотность энергии постоянной, несмотря на увеличение размеров Метагалактики. Однако и в этой модели возникают свои проблемы. Например, какова природа физического поля, приводящего к инфляционному расширению? Почему инфляционное расширение прекратилось и наступило расширение фридмановское? Ученые надеются, что они смогут найти ответы и на эти вопросы. Мы же не должны забывать, что любая научная истина является истиной относительной и может быть в любое время пересмотрена.

Сотворение вещества

Радиационная эра в развитии Вселенной – чрезвычайно важный период. Именно в это время начали возникать тяжелые ядра – основа химических элементов, заполняющих периодическую таблицу Д. Менделеева. Этот процесс носит название нуклеосинтеза.

Протон, самое легкое ядро, возникло через десятки секунд после рождения Вселенной. В это время температура и плотность Вселенной была достаточно высокой для осуществления синтеза дейтерия – ядра, состоящего из двух нуклонов, образовавшегося при соударении протона и нейтрона. Эта реакция синтеза сопровождалась генерацией фотонов и выделением энергии:

p + n -----> 2H + гамма + Q.

Здесь Q = 2.2 МэВ (МэВ – мегаэлектронвольт =106 эВ – единица измерения энергии) - энергия, выделяемая в этой реакции синтеза. Затем в течение очень короткого промежутка времени (около 10-15 минут) произошла цепочка реакций превращения дейтерия 2H в тритий (3H – ядро из трех нуклонов) и, наконец, дейтерий и тритий образовали гелий 3He – второй по своей значимости элемент во Вселенной. Расчеты показывают, что в этот момент его образовалось на уровне 24 процентов от всех нуклонов Вселенной. Именно такое содержание гелия мы наблюдаем и в наши дни, в условиях современной Вселенной. Заметим, что вся эта цепочка реакций синтеза происходит с большим выделением энергии. При попытках человека на Земле создать мощнейшие генераторы энергии – термоядерные реакторы и водородные бомбы именно эти реакции были взяты за основу.

Но вернемся к модели расширяющейся Вселенной. Когда возникли звезды? Предполагается, что процесс звездообразования начался 1 миллиард лет назад в результате образования неоднородностей в распределении вещества во Вселенной и гравитационного взаимодействия между отдельными его сгустками.

Последние исследования на космических телескопах действительно обнаруживают в далеких областях Вселенной повышенные концентрации вещества – их называют «газовыми» или «молекулярными облаками». Именно здесь наблюдается повышенное количество звезд. Безусловно, процесс образования звезд (по человеческим меркам) – очень медленный – сотни тысяч и миллионы лет.

Модели формирования звезд сводятся к первичному формированию так называемой «протозвезды» – сильно разогретому (до 106 К) сгустку веществ, состоящего из атомов, лишенных своих электронных оболочек – ионов, и свободных электронов. Вещество протозвезды сжимается – коллапсирует, температура ее повышается вследствие осаждения вещества из окружающего пространства - аккреции, и внутри нее начинают происходить реакции термоядерного синтеза.

Эти реакции развиваются при достижении массы протозвезды в 10 раз меньше массы Солнца. Этот период жизни звезды характеризуется “выгоранием” в термоядерном котле легких элементов и образованием тяжелых. В этом плане процесс формирования звезд – важный этап процесса образования - синтеза элементов во Вселенной.

При температуре протозвезды – 106 К происходят реакции горения дейтерия – 2H + 2H с образованием трития 3H. Образование дейтерия приводит к увеличению размера протозвезды. Температура ее начинает расти из-за гравитационного сжатия, и возникают условия для последовательного сгорания вещества, начиная с водорода и кончая кремнием и железом. Водород в этой топке горит дольше всех других элементов. Звезда расходует на эту фазу энергию, но она не тускнеет, а сжимается, т.к. энергии горения не хватает на преодоление гравитационного сжатия.

Затем во внешней оболочке звезды гелий переходит в углерод, кислород и азот. Этот период времени занимает несколько миллионов лет, уменьшаясь по мере смещения процесса термоядерного синтеза к более тяжелым элементам. Менее 1% общей массы звезды превращается в энергию.

Число фаз горения зависит от первоначальной массы звезды. Если она больше 8 масс Солнца, то произойдут все фазы горения вплоть до железа. Синтез новых элементов в термоядерном котле заканчивается на железе – оно не вступает в дальнейшие превращения.

Последовательная цепочка ядерных превращений в чреве звезды сопровождается увеличением ее температуры. Масса звезды растет – возникают так называемые массивные звезды – красные гиганты. Такое название они приобретают из-за преобладания красного цвета в их спектрах излучения. Размеры красного гиганта в сотни раз превышают размеры протозвезды. Красные гиганты – неустойчивые системы: они извергают во внешнее пространство свое вещество – теряют свою внешнюю оболочку.

Гипотеза образования Солнечной системы

Наша Солнечная система уникальная по своим характеристикам. В настоящее время в космосе не обнаружено ни одной планетной системы, подобной нашей. Вот почему ее изучение сталкивается с большими трудностями, чем изучение звезд и звездных скоплений, примеров которых наблюдается достаточное множество, причем, как считается, можно наблюдать звезды, находящиеся на самых различных стадиях своей эволюции.

В настоящее время исследователи склоняются к тому, что Солнечная система образовалась 4,6 млрд. лет назад из протопланетного газо-пылевого облака (туманности). Возраст Солнечной системы оценен радиометрическими методами по соотношению содержания изотопов некоторых химических элементов на Земле, на других планетах, на метеоритах в рамках теории радиоактивного распада и используя некоторые дополнительные предположения. Таким образом, Солнце и планеты имеют одинаковый возраст и сформировались из одного материала. В центре облака образовалось сгущение – протосолнце, которое медленно сжималось, в то время как периферическая часть облака вращалась вокруг центрального тела. В результате столкновения частиц вещества облако постепенно сплющивалось и разогревалось - образовался вокруг Солнца газо-пылевой диск, в котором протекал процесс роста размеров частиц вещества (пылинок). Предполагается, что магнитное поле диска могло передать значительный момент количества движения от центра к периферии. Этим и объясняется тот факт, что подавляющая доля вращательного момента приходится на планеты, в то время как масса планет в общей массе Солнечной системы незначительна по сравнению с массой Солнца. Излучение молодого Солнца выбросило на периферию газо-пылевого диска легкие элементы, такие как водород и гелий. Поэтому ближе к Солнцу диск содержал больше тяжелых и твердых веществ, из которых позднее составились планеты земной группы, а на периферии больше было легких элементов, из которых позднее сформировались планеты-гиганты. Когда параметры, в первую очередь, плотность пылевого слоя диска, достигли критического значения, в туманности возникла гравитационная неустойчивость, и образовались кольца, которые распадались на отдельные сгущения вещества - планетезимали. Образование планетезималей из пылевого вещества длилось 10^4-10^6 лет. Планетезимали постепенно приобрели близкие к круговым орбиты, и становились зародышами будущих планет. Скорость роста планетезималей до размеров планет за счет аккреции вещества туманности и столкновения с другими планетезималями была тем выше, чем больший размер и массу имели планетезимали.

Предполагается, что формирование Земли длилось порядка 10^8 лет. Формирование планет-гигантов – Юпитера и Сатурна длилось дольше. Скорость вращения планет вокруг своей оси и направление этого вращения устанавливались как суммарный результат объединения нескольких планетезималей и выпадения на планеты сгустков твердого вещества во время планетного формирования. Своим притяжением планеты, особенно планеты-гиганты, выбрасывали на периферию газо-пылевого облака частицы пыли и планетезимали, что привело к образованию вокруг Солнечной системы облака комет. Мощное приливное воздействие Юпитера помешало формированию планеты между орбитами Марса и Юпитера, где сейчас наблюдается пояс астероидов. Согласно другим предположениям, пояс астероидов - это разорвавшаяся планета Солнечной системы.

Выпадение на Землю допланетных тел, а также сжатие планеты привели к постепенному разогреву ее недр. Определенный вклад в процесс разогрева внес радиоактивный распад изотопов урана, тория, калия и других элементов. Частичное плавление земных недр привело к процессам гравитационной дифференциации вещества – легкие химические элементы и их соединения поднимались вверх, а тяжелые опускались вниз. Так формировались ядро, мантия и кора нашей планеты. Молодая Земля, как предполагается, была окружена мощной атмосферой из водорода, метана, аммиака и паров воды, захваченных из протопланетного облака, а также появившихся благодаря процессам дегазации и дефлюидизации недр. Согласно другим предположениям, атмосфера Земли состояла из азота, углекислого газа и водяных паров. Земля могла быть сильно разогрета до полного плавления, а могла быть первоначально достаточно холодной. В этом вопросе нет единого мнения. При определенных температурных условиях на поверхности Земли сконденсировались водяные пары, и образовался первобытный океан, разделенный вулканическими островами. Предполагается, что приблизительно 3,9-3,5 млрд. лет назад на Земле возникла первая жизнь - примитивные анаэробные одноклеточные организмы, подобные современным бактериям.

В настоящее время нет согласия по вопросу о происхождении Луны. Предполагается, что Луна могла сформироваться одновременно с Землей из множества небольших спутников протоземли на расстоянии от нее порядка десятка земных радиусов. В результате действия приливных сил расстояние от Земли до Луны стало увеличиваться, а скорость вращения Земли вокруг своей оси уменьшаться. По другой распространенной версии Луна образовалась в результате катастрофы – касательного столкновения с древней Землей крупного небесного тела размером с планету Марс. Выброшенное ударом силикатное вещество мантии Земли постепенно образовало Луну.

Подводя итог, можно сказать, что учение о происхождении Солнечной системы и нашей планеты Земля еще находится на стадии гипотезы и будет не только постепенно уточняться, но не исключено, что оно будет кардинально пересматриваться.

Краткая история развития Вселенной
Время	Температура	Состояние Вселенной
10-45- 10-37сек	Более 1026K	Инфляционное расширение
10-6сек	Более 1013K	Появление кварков и электронов
10-5cек		Образование протонов и нейтронов
10-4сек - 3 мин		Возникновение ядер дейтерия, гелия и лития
400 тыс. лет		Образование атомов
15 млн. лет		Продолжение расширения газового облака
1 млрд. лет		Зарождение первых звезд и галактик
3 млрд. лет		Образование тяжелых ядер при взрывах звезд
10 - 15 млрд. лет		Появление планет и разумной жизни
1014лет		Прекращение процесса рождения звезд
1037лет		Истощение энергии всех звезд
1040лет		Испарение черных дыр и рождение элементарных частиц
10100лет		Завершение испарения всех черных дыр

Лишь несколько процентов (около 4 %) состава Вселенной относится к тому, из чего, как мы полагаем, образован наш мир. Это – барионная материя. Все остальное, а это практически 96% - темная материя и темная энергия – пока малопонятные для нас материальные субстанции Вселенной. Мы знаем, что они определенно существуют. Но мы не знаем, что это такое. Мы только строим гипотезы и пытаемся поставить эксперименты, в надежде доказать их справедливость. Но факт остается – у нас пока нет аргументов в пользу окончательного выбора гипотезы, объясняющей состав темного вещества и темной энергии во Вселенной.

Рис. Структура материи во Вселенной. Вклад барионной материи – не более 5%. Остальное приходится на так называемую небарионную «темную материю» и «темную энергию», природа которых – неизвестна.

Темная энергия, согласно современным воззрениям, – это как раз та сила, которая заставляет Вселенную расширяться. Если привычная нам гравитация заставляет тела притягиваться друг к другу, то темная энергия – скорее антигравитация, способствующая разлету тел во Вселенной. По-видимому, сразу после Большого взрыва расширение Вселенной происходило с замедлением, но после этого «темная энергия» преодолела гравитацию и вновь началось ускорение – расширение Вселенной. Это - не гипотеза, a экспериментальный факт, обнаруженный из излучения красного смещения - уменьшения яркости далеких сверхновых звезд: они ярче, чем им следовало бы быть из картины замедления расширения Вселенной. Эффект «красного смещения» – регистрируемое наблюдателем увеличение длины волны спектра наблюдаемого источника (именно поэтому звезды кажутся ярче) – одно из замечательных экспериментальных астрономических фактов. Космологическое «красное смещение» наблюдаемых галактик было предсказано А. Эйнштейном и является по сей день одним из убедительных доказательств расширяющейся Вселенной.

Окунаясь в эпоху ранней космологии, можно вспомнить, что именно великий А. Эйнштейн, стараясь сохранить статичность Вселенной, ввел, ставшей исторической, космологическую константу lambda- уравновешивающую силы притяжения небесных тел. Но вслед за открытием «красного смещения» он вычеркнул константу lambda из своих уравнений. Видимо, А. Эйнштейн был неправ, отказавшись от нее: Ведь lambda – это есть та темная энергия, которая интригует современных астрофизиков.

Не ясно, повезло или нет человечеству, но оно живет в период развития Вселенной, когда темная энергия преобладает, способствуя расширению. Но этот процесс, вероятно, не вечен и через временной отрезок, сопоставимый с возрастом Вселенной (10-20 миллиардов лет) история может повернуть вспять – наш мир начнет сжиматься. Наступит или нет момент Большого Схлопывания – альтернативы Большого взрыва, безусловно, большой вопрос современной космологии.

Ученые сумели доказать существование расширяющейся Вселенной – это красное смещение оптического излучения Галактики и реликтовое электромагнитное излучение – реликтовые фотоны, о которые пойдет речь ниже. Возможно, ученым удастся в будущем установить и существование “предвестников” надвигающегося сжатия Вселенной.

Другой экспериментальный факт – изучение отклонения света от далеких галактик в гравитационных полях Вселенной привел астрофизиков к выводу о существовании скрытой – темной материи – где-то вблизи нас. Именно эта темная материя изменяет траектории световых лучей на большую величину, чем это следовало ожидать в присутствии лишь видимых близлежащих галактик. Ученые изучили распределение на звездном небе более 50000 галактик в попытке построить пространственную модель структуры темной материи. Все полученные результаты неумолимо свидетельствуют в пользу ее существования, причем Вселенная – это в основном и есть темная материя. Современные оценки говорят о величине около 80%. Здесь мы вновь повторим – нам неизвестно, из каких частиц состоит эта темная материи. Ученые лишь предполагают, что она состоит из двух частей: пока неизвестных каких-то экзотических массивных частиц и физического вакуума.

1. Структурные уровни организации материи

В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир - это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.

Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем - неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура - это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являют ся горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями - вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир - область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир - мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.

Мегамир - сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя все эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.

Структура мегамира

Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты - несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

Звезды - светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике - порядка триллиона. Самые многочисленные из них - карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звёзды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

Белый карлик - это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность - 10 т/см 3 , т.е. в сотни раз больше земной плотности.

Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, поскольку он состоит из протонов и нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами.

Черные дыры - это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (10 15 г) и аномально сильным гравитационным полем. Свое название они получили потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

Звездные системы (звездные скопления) - группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. В настоящее время известно более тысячи

звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время ученым известно около 150 шаровых скоплений.

Галактики - совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Наша Солнечная система принадлежит к галактике Млечного Пути, включающей не менее 100 млрд. звезд и поэтому относящейся к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики составляет около 100 тыс., а толщина - 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.

Метагалактика - система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы:

световой год - расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;

астрономическая единица - это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;

парсек - единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк - 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн км, или 3,3 световым года.

Структура макромира

Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами - удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира

На рубеже XIX-XX вв. в естественно-научной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:

выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;

подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;

доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Концепция элементарных частиц. Переход естественно-научных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

После того как было установлено, что атом не является последним «кирпичиком» мироздания, а построен из более простых элементарных частиц, их поиск занял главное место в исследованиях физиков. История открытия фундаментальных частиц началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу - электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц включает два этапа.

Первый этап приходится на 30-50-е гг. XX в. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. - нейтрон, а спустя четыре года - первая античастица - позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970-80-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами. Одно из них - свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы - это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического за ряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции - превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

2. Развитие структурной химии

Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеж дению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Качественное разнообразие данных веществ потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, состав которых, тем не менее, крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов. Это - углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.

Структурная химия стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Сам термин «структурная химия» - понятие условное. В нем, прежде всего, подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены еще Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И. Бер-целиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Как позже показал химик Ш. Жерар, это утверждение было верно не всегда, поэтому еще в середине XIX в. структура молекул оставалась загадочной.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле опубликовал свои наблюдения о свойствах некоторых элементов, могущих заменять атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин - сродство. Он стал обозначать количество атомов водорода, которые может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства, прису щее данному химическому элементу, Кекуле назвал вагентностыо. При объединении атомов в молекулу происходило замыкание свободных единиц сродства. Таким образом, понятие «структура молекулы» свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, показывали, какие исходные вещества нужно брать для получения конечного продукта.

Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать валентность химических элементов как число единиц сродства, присущих атому: =С=; -О-; Н-. Комбинируя атомы различных химических элементов с их единицами сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения. А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения - как уже известного, так и еще неоткрытого. То есть химик может прогнозировать получение неизвестного соединения и проверить свой прогноз синтезом.

К сожалению, схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Часто придуманная химиками реакция, которая должна была привести к получению вещества с нужной структурной формулой, не происходила. Это было вызвано тем, что подобные формальные схемы не учитывали реакционной способности веществ, вступавших в химическую реакцию.

Поэтому важнейшим шагом в развитии структурной химии стало создание теории химического строения органических соединений русским химиком А.М. Бутлеровым. Бутлеров вслед за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры - устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, и моле кулярной структуры - сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

На основе достижений структурной химии у исследователей появилась уверенность в положительном исходе экспериментов в области органического синтеза. Сам термин «органический синтез» появился в 1860-1880-е гг. и стал обозначать целую область науки, названную так в противоположность общему увлечению анализом природных веществ. Этот период в химии был назван триумфальным шествием органического синтеза. Химики гордо заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, обещая синтезировать из угля, воды и воздуха все самые сложные тела, вплоть до белков, гормонов и пр. И действительность, казалось, подтверждала эти заявления: за вторую половину XIX в. число органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов.

В это время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д. До этого подобные материалы добывались в ограниченных количествах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного, труда.

Современная структурная химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых - безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.

Самым последним достижением структурной химии является открытие совершенно нового класса металлорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевых» соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:

синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Решение каждой из этих проблем имеет свои сложности. Так, для решения первой проблемы необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе и поля гравитации (земного притяжения). Поэтому кристаллы с заданными свойства ми выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение второй проблемы затруднено тем, что, наряду с запрограммированными дефектами, практически всегда образуются и нежелательные нарушения.

Тем не менее, классическая структурная химия была ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так, согласно структурным теориям должны быть вполне осуществимы многие химические реакции, которые на практике не происходят. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же подобный синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

Поэтому изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получить высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резких изменений свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость протекания химических процессов. Учет и использование этих факторов вывело химию на новый качественный уровень ее развития.

Высокомолекулярные соединения

(полимеры), характеризуются молекулы массой от нескольких тысяч до нескольких (иногда многих) миллионов. В состав молекул высокомолекулярных соединений (макромолекул) входят тысячи атомов, соединенных хим. связями. Любые атом или группа атомов, входящие в состав цепи полимера или олигомера, наз. составным звеном. Наименьшее составное звено, повторением которого м. б. описано строение регулярного (см. ниже) полимера, наз. составным повторяющимся звеном. Составное звено, которое образуется из одной молекулымономера при полимеризации, называется мономерным звеном (ранее иногда наз. элементарным звеном). Например, в полиэтилене [-СН 2 СН 2 -] n повторяющееся составное звено - СН 2 , мономерное -СН 2 СН 2 .

Название линейного полимера образуют прибавлением приставки "поли" (в случае неорганич. полимеров -"катена-поли"): а) к названию составного повторяющегося звена, заключенному в скобки (систематич. названия); б) к названию мономера, из к-рого получен полимер (полусистематич. названия, которые ИЮПАК рекомендует использовать для обозначения наиболее часто применяемых полимеров). Название составного повторяющегося звена образуют по правилам номенклатуры химической. Например: (первыми указаны полусистематич. названия):

3. Структурные уровни организации жизни

Жизнь характеризуется диалектическим единством противоположностей: она одновременно целостна и дискретна. Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен, поскольку состоит из отдельных единиц - организмов, или особей. Каждый живой организм, в свою очередь, также дискретен, так как состоит из отдельных органов, тканей, клеток, но вместе с тем каждый из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развитие признака и т.д.

С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчи-ненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой - сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на более высоких уровнях организации подготавливается и определяется структурой низшего уровня; в частности, характер клеточного уровня определяется молекулярным и субклеточным, организменный - клеточным, тканевым уровнями и т.д.

Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но при этом основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический и биосферный.

Молекулярно-генетический уровень

Молекулярно-генетический уровень жизни - это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов - молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекуляр-но-генетическим.

Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы - гигантские мо лекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза) играют роль источника энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул.

Белки - это макромолекулы, представляющие собой очень длинные цепи из аминокислот - органических (карбоновых) кислот, содержащих, как правило, одну или две аминогруппы (-NH 2).

В растворах аминокислоты способны проявлять свойства как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным буфером на пути опасных физико-химических изменений. В живых клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот, однако в состав белков их входит только 20. Именно последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями 1 , образует первичную структуру белков. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.

Большинство белков выполняет функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Кроме того, белки играют роль переносчиков; например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения - результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Функцией белков-антител является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.

Нуклеиновые кислоты. Процессы жизнедеятельности живых организмов определяет взаимодействие двухвидов макромолекул - белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК, которая служит носителем наследственной информации для следующего поколения и определяет биосинтез белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нук леиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам.

Как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством - молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью. Это свойство жизни было открыто в 40-50-е гг. XIX в. Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения - солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, т.е. являются оптически активными. Позже они получили название оптических изомеров. У растворов веществ небиологического происхождения данное свойство отсутствует, строение их молекул симметрично.

Сегодня идеи Пастера подтверждены, и считается доказанным, что молекулярная хиральность (от греч. cheir - рука) присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. Вещество неживого происхождения симметрично в том смысле, что молекул, поляризующих свет влево и вправо, в нем всегда поровну. А в веществе биологического происхождения всегда присутствует отклонение от этого баланса. Белки построены из аминокислот, поляризующих свет только влево (L-конфигурация). Нуклеиновые кислоты состоят из Сахаров, поляризующих свет только вправо (D-конфигурация). Таким образом, хиральность заключается в асимметрии молекул, их несовместимости со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, что и дало современное название этому свойству. Интересно отметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отражение, то с его организмом все было бы нормально до тех пор, пока он не стал бы есть пищу растительного или животного происхождения, которую он просто не смог бы переварить.

Нуклеиновые кислоты - это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (поли-нуклеотиды).

Существует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонук-леиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов еще во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером. Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

В середине XX в. американский биохимик Дж. Уотсон и английский биофизик Ф. Крик раскрыли структуру молекулы ДНК. Рентгеноструктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем, если у одного основания одно кольцо, то у другого - два. Таким образом, образуются комплементарные пары: А-Т и Г-Ц. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплементарной ей цепи молекулы.

Ген - это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4-6 тысяч отдельных нуклеотидов, ДНК - 10-25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло несколько раньше, когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание: «один ген - один белок». Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 1950-х гг.

По его предположению, для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодона. В 1961 г. гипотеза Гамова была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при синтезе белков.

В живой клетке имеются органеллы - рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из 20 возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, происхождении всех живых существ на Земле от единого предка.

Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация - это удвоение молекул ДНК. Основой репликации является уникальное свойство ДНК к самокопированию, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к исходной. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая - новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме - мутациям.

Транскрипция - это перенос кода ДНК путем образования од-ноцепочной молекулы информационной РНК (и-РНК) на одной из нитей ДНК. и-РНК - это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы расположенных рядом генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция - это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых органоидах клетки - рибосомах, куда транспортная РНК (т-РНК) доставляет аминокислоты.

В конце 1950-х гг. русскими и французскими учеными одновременно была выдвинута гипотеза о том, что различия в частоте встречаемости и порядке расположения нуклеотидов в ДНК у разных организмов имеют специфический для видов характер. Данная гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является уже упоминавшийся механизм мутации генов - непосредственное преобразование самих ге нов, находящихся в хромосоме, под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме изменчивости порядок расположения генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости - рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сама молекулярная основа гена не меняется, а происходит его перемещение с одного участка хромосомы на другой или идет обмен генами между двумя хромосомами. Рекомбинация генов имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей - они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.

Другой механизм изменчивости - неклассическая рекомбинация ге нов - был открыт лишь в 1950-е гг. При неклассической рекомбинации генов происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего новые элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них - плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание, после чего они перестают оказывать медикаментозное воздействие. Патогенные бактерии, против которых действует наше лекарство, связываются с плазми-дами, что и придает бактериям устойчивость к лекарству, и они перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки - генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. Таким образом, с помощью генетических и биохимических методов конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов. Для этого видоизменяется ДНК, кодирующая производство белка с нужными свойствами. Данный механизм лежит в основе всех современных биотехнологий.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978 г. был синтезирован инсулин - белок для лечения сахарного диабета. Нужный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от вирусных инфекций, так как традиционные вакцины представляют собой ослабленный вирус, который должен вызывать выработку антител, поэтому их введение связано с определенным риском. Генная инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую поверхностный слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, но заражение организма исключено.

Сегодня в генной инженерии рассматривается вопрос об увеличении продолжительности жизни и возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека. Достичь этого можно, увеличив защитные ферментные функции клетки, оберегая молекулы ДНК от различных повреждений, связанных как с нарушением обмена веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того, ученым удалось открыть пигмент старения и создать специальный препарат, освобождающий клетки от него. В опытах с мы

шами было получено увеличение продолжительности их жизни. Также ученым удалось установить, что в момент деления клетки уменьшаются теломеры - особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Дело в том, что при репликации ДНК специальное вещество - полимераза - идет по спирали ДНК, снимая с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с самого начала, а оставляет каждый раз недокопи-рованный кончик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих никакой информации, или теломер. Как только теломеры исчерпываются, при последующих копированиях начинает сокращаться часть ДНК, несущая генетическую информацию. Это и есть процесс старения клеток. В 1997 г. в США и Канаде был проведен эксперимент по искусственному удлинению теломер. Для этого использовался вновь открытый клеточный фермент - теломераза, способствующий наращиванию теломер. Полученные таким образом клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохранив свои нормальные функциональные свойства и не превращаясь в раковые клетки.

В последнее время стали широко известны успехи генных инженеров в области клонирования - точного воспроизведения того или иного живого объекта в определенном количестве копий из соматических клеток. При этом выращенная особь генетически неотличима от родительского организма.

Получение клонов у организмов, размножающихся посредством партеногенеза, без предшествующего оплодотворения, не является чем-то особенным и давно используется генетиками. У высших организмов также известны случаи естественного клонирования - рождение однояйцевых близнецов. Но искусственное получение клонов высших организмов связано с серьезными трудностями. Тем не менее, в феврале 1997 г. в лаборатории Яна Вильмута в Эдинбурге был разработан метод клонирования млекопитающих, и с его помощью была выращена овечка Долли. Для этого у овцы породы Шотландской черномордой извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питательную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет, несущие полный генетический набор. Эти клетки через некоторое время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали их развитие посредством электрического разряда. Затем развивающийся зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной матери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов успешным оказался лишь один - выросла овечка Долли.

После этого Вильмут заявил о принципиальной возможности клонирования человека, вызвавшей самые оживленные дискуссии

не только в научной литературе, но и в парламентах многих стран, поскольку такая возможность связана с очень серьезными моральными, этическими и юридическими проблемами. Не случайно в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие клонирование человека. Ведь большинство клонированных эмбрионов гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов. Так что опыты по клонированию не только аморальны, но и просто опасны с точки зрения сохранения чистоты вида Homosapiens. To, что риск слишком велик, подтверждается информацией, пришедшей в начале 2002 г. и сообщающей о заболевании овечки Долли артритом - болезнью, не характерной для овец, после чего ее вскоре пришлось усыпить.

Поэтому намного более перспективным направлением исследований является изучение генома (совокупности генов) человека. В 1988 г. по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека», которая объединила множество ученых из разных стран мира и поставила задачу расшифровки всего генома человека. Это грандиозная задача, так как число генов в организме человека составляет от 50 до 100 тысяч, а весь геном - это более 3 млрд. нуклеотидных пар.

Считается, что первый этап данной программы, связанный с расшифровкой последовательности расположения нуклеотидных пар, будет завершен к концу 2005 г. Уже проведена работа по созданию «атласа» генов, набора их карт. Первая такая карта составлена в 1992 г. Д. Коэном и Ж. Доссе. В окончательном варианте она бьыа представлена в 1996 г. Ж. Вайсенбахом, который, изучая под микроскопом хромосому, с помощью специальных маркеров отмечал ДНК различных ее участков. Затем он клонировал эти участки, выращивая их на микроорганизмах, и получал фрагменты ДНК - последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК, из которой состояли хромосомы. Таким образом, Вайсенбах определил локализацию 223 генов и выявил около 30 мутаций, приводящих к 200 заболеваниям, среди которых гипертония, диабет, глухота, слепота, злокачественные опухоли.

Одним из результатов этой программы, пусть и не законченной, является возможность выявления генетических патологий на ранних стадиях беременности и создание генотерапии - метода лечения наследственных заболеваний с помощью генов. Перед проведением процедуры генотерапии выясняют, какой ген оказался дефектным, получают нормальный ген и вводят его во все больные клетки. При этом очень важно отследить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов клетки, иначе будет получена раковая клетка. Уже есть первые больные, вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколько радикально они излечены и

не вернется ли болезнь в будущем. Также пока не ясны и отдаленные последствия такого лечения.

Конечно, использование биотехнологии и генной инженерии имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Об этом говорит опубликованный в 1996 г. Федерацией европейских микробиологических обществ меморандум. Связано это с тем, что широкая общественность с подозрением и враждебностью относится к генным технологиям. Страх вызывают возможность создания генетической бомбы, способной исказить геном человека и привести к рождению уродов; появление неизвестных заболеваний и производство биологического оружия.

И, наконец, в последнее время широко обсуждается проблема повсеместного распространения трасгенных продуктов питания, созданных путем внедрения генов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболеваний. Уже созданы и продаются трансгенные помидоры и кукуруза. На рынок поставляются хлеб, сыр и пиво, изготовленные с помощью трансгенных микробов. Такие продукты устойчивы по отношению к вредным бактериям, обладают улучшенными качествами - вкусом, питательной ценностью, крепостью и т.д. Так, в Китае выращивают устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия использования таких продуктов, прежде всего, механизм их воздействия на организм и геном человека.

Конечно, за двадцать лет использования биотехнологий не случилось ничего из того, чего опасаются люди. Все новые микроорганизмы, созданные учеными, менее болезнетворны, чем их исходные формы. Ни разу не произошло вредного или опасного распространения рекомбинантных организмов. Тем не менее, ученые тщательно следят за тем, чтобы трансгенные штаммы не содержали генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект. Существует теоретическая опасность создания новых видов бактериологического оружия на основе генных технологий. Поэтому ученые должны учитывать этот риск и содействовать развитию системы надежного международного контроля, способного зафиксировать и приостановить подобные работы.

С учетом возможной опасности использования генных технологий разработаны документы, регламентирующие их применение, правила безопасности проведения лабораторных исследований и промышленного освоения, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду.

Таким образом, сегодня считается, что при соблюдении соответствующих предосторожностей польза, приносимая генными технологиями, перевешивает риск возможных отрицательных последствий.

4. Концепция развития цивилизации (Н.Н. Моисеева, В. Зубакова,

Л. Брауна)

Самый радикальный вариант депопуляции предложил В. Зубаков, сформулировавший представления об экогее (Гея - богиня Земли) - будущем биосферы с депопуляцией до 1,5 млрд человек в течение 50 лет . В его сценарии присутствуют в качестве основных элементов такие сомнительные (при самой мягкой оценке!) положения, как внедрение матриархата, создание внеклассового и вненационального мирового сообщества, формирование экологической армии за счет вооруженных сил НАТО и России, уничтожение преступников и преступности в течение одного поколения и т. д.
Таким образом, несмотря на экологическую привлекательность сценария консервационистов он трудно реализуем в силу социальных причин. На страже многодетности стоят национальные традиции и практически все религии, запрещающие регулирование деторождения.
«Центристскими» являются документы, принятые на «Рио-92». На позициях центризма стоит американский Институт «WorldWatch», основанный Л. Брауном. Институт ежегодно выпускает специальные обзоры состояния проблем экологии в мире (ежегодники за 1992, 1993 и 2000 гг. переведены на русский язык). Особую роль сыграл ежегодник за 1994 г. , содержавший две теоретических главы (их авторы - Сандра Постел и Лестер Браун), в которых были сформулированы крайне важные для разработки модели общества устойчивого развития понятия - поддерживающей емкости (carrying capacity) планеты и продовольственной безопасности (food security).
Первое понятие обозначает некую максимальную нагрузку на биосферу, при которой она способна восстанавливаться за счет механизмов самоорганизации, а второе отражает соотношение плотности народонаселения и возможностей биосферы устойчиво снабжать его продуктами питания как из естественных экосистем (в первую очередь океанических), так и из искусственных - сельскохозяйственных.
В этом же выпуске Л. Браун дал оптимистическую оценку и благоприятный прогноз перспективы построения общества устойчивого развития. Он считал, что уже наметился перелом в отношении к проблеме УР, и начиная с 1990 г. человечество вступило в новую «энвайронментальную эру», сменившую эру экономического роста. Как ключевой признак «энвайронментальной эры» Браун назвал переключение систем национальной безопасности с решения военных задач (период «холодной войны») на обеспечение населения продовольствием, регулирование роста народонаселения и охрану окружающей среды. Однако сегодня, спустя 10 лет после «Рио-92», очевидно, что путь к обществу устойчивого развития будет долгим и тернистым...
Центристский сценарий включает ряд элементов стратегии, которые должны быть приняты мировым сообществом. Общие очертания общества устойчивого развития сегодня уже в основном определились , хотя «технологические» аспекты экологизации уклада жизни человечества пока не ясны, а лишь обсуждаются. Чтобы построить мировое сообщество устойчивого развития, необходимо:
гуманными методами добиться регулирования роста народонаселения на уровне, который не превысит поддерживающей емкости планеты (8-12 млрд человек);
обеспечить продовольственную безопасность человечества, т. е. защитить его от угрозы голода в настоящем и будущем (за счет компромиссной системы сельского хозяйства при умеренном использовании удобрений, гербицидов, трансгенных растений и максимальном раскрытии агроресурсного и биологического потенциала агроэкосистем, а также изменения рациона большей части человечества с заменой значительной доли животного белка растительным);
обеспечить человечество энергией без истощения энергоресурсов и загрязнения среды, сопровождающего получение и транспортировку энергоносителей и энергии (смешанный тип энергетики: 30% за счет нетрадиционных источников, остальное - за счет традиционных с повышением доли атомной энергетики при использовании безопасных ядерных реакторов и замкнутого топливного цикла; переход на энергосберегающие технологии во всех сферах деятельности);
обеспечить неистощающее использование сырьевых ресурсов для промышленности (широкое внедрение рециклинга);
прекратить сокращение биологического разнообразия (доля охраняемых природных территорий должна быть не ниже 30%);
резко снизить уровень загрязнения среды за счет «экологизации» промышленности и сельского хозяйства;
преодолеть потребительский подход (в первую очередь в странах «золотого миллиарда») и тем самым снизить давление человека на природу;
резко повысить уровень международного сотрудничества в области охраны окружающей среды.
Все эти экономические по своей природе меры должны сочетаться с экологическим образованием и воспитанием, формированием у каждого жителя планеты экологического мировоззрения и социальной активности в решении вопросов охраны окружающей среды.
В заключение остается присоединиться к мнению О.К. Дрейера и В.А. Лося о том, что пока концепция общества устойчивого развития напоминает «философский камень» и «вечный двигатель». Однако это ни в коей мере не снижает ее значения для человечества: философский камень не был найден, но в процессе его поисков алхимия переросла в химию, а попытки изобрести вечный двигатель стимулировали развитие механики. Можно полагать, что при конкретизации путей к обществу устойчивого развития человечество научится экологическому укладу жизни, альтернативой которому является глобальный экологический кризис.

В. А. ЗУБАКОВ

ИТОГИ XX И ПЕРСПЕКТИВЫ XXI веков ГЛАЗАМИ ГЕОЭКОЛОГА:

ИПОСТАСИ ГЛОБАЛИЗАЦИИ И ИМПЕРАТИВЫ ВЫЖИВАНИЯ

Г. Г. Малинецкий и другие ученые делают три важных вывода:

1. Мир подошел к системному кризису; 2. В России на государственном уровне нет прогноза динамики биотехносферы и нет мониторинга техносферных процессов; 3. Анализ дальних целей, встающих перед человечеством и страной, становится сейчас главной задачей науки (Малинецкий и др. 2003). Поскольку авторы пишут, что Рио-де-Жанейро был не рывком вперед, а шагом назад,то, по сути, ими ставится и четвертый вопрос – почему 30-летние усилия ООН по выработке стратегии поддерживаемого развития Sustainable Development – SD (у нас «устойчивого развития» – УР) не привели к успеху? Этот вопрос следует и из обзора отчета Амстердамской международной конференции «Вызовы изменяющейся Земли» (Кондратьев, Лосев 2002), а также из моего обзора итогов Йоханнесбургского саммита ООН (Зубаков 2003). К трем первым вопросам (Малинецкий и др. 2003) автор близко подошел 15 лет назад (Зубаков 1990) и тогда же решил сменить свою специализацию стратиграфа-палеоклима-

толога на исследование проблем исторической геоэкологии, тогда еще не сформировавшейся научной дисциплины. В последующих примерно 50 статьях (укажу лишь одну: Зубаков1998–2001) и в трех брошюрах (Зубаков 1995; 2000а; 2002) я 104 вышел на контуры альтернативы ныне существующей при-родопотребительской парадигмы. Я назвал ее экогеософской (от греч. «мудрость дома Земля»). Она не осталась незамеченной. Были и рецензии (и «за», и «против»), и дипломы, и даже – за одну из них (Зубаков 2002) – медаль Россий-ской академии естествознания. Однако мои попытки поставить тему для фундаментального исследования в план РАН, даже в форме гранта РФФИ, не проходили. То ли заявки принимались за «страшилки», то ли противоречили насаждаемой ныне рыночной идеологии, не знаю. Именно поэтому статью ученых (Малинецкий и др. 2003), представляющих молодую элиту РАН, я воспринял как знаковый поворот, возвещающий смену погоды, а возможно, и самого климата в РАН по отношению к пограничным вопросам экологии,

социологии и экономики. Хочу продолжить обсуждение поднятых вопросов, выведя их в конкретное русло ойкогеономической синтагмы . Под новым тер-мином синтагма (греч. «вместе построяемое») А. И. Ракитов (2003)предложил понимать систему знаний, правил и принципов, разработанных в разных науках, но сводимых вместе для решения важных практических проблем. Именно такой проблемой на стыке геоэкологии, геоэкономики, социологии, политики и синергетики и является, по-моему, создание еще не существующей, но остро не-

обходимой для выживания человечества «науки – стратегии» об управлении гомеостазисом объединенного человечества с поддерживаемой Им с помощью Коллективного Разума биосферой. Я называю ее ойкогеономикой (греч. «ведение дома Земля»).

Я согласен с постановкой (Малинецкий и др. 2003; Кондратьев, Лосев 2002) программы обсуждения. И тоже считаю, что цели человечества, не «сиюминутные», на 3–4 года, а дальние, на сто и более лет, сейчас становятся (уже стали!) главной задачей науки и ученых. Но чтобы правильно их выбирать, надо, очевидно, понимать – Где мы? и Почему? Поэтому я разделяю обсуждение поставленных четырех вопросов на две части – анализ итогов ХХ века и

осмысление целей и стратегии человечества на XXI век. Учитывая сложность и значимость проблем, сделать это можно, очевидно, только в большой статье. И при этом обсуждение вынуждено быть сжатым, почти тезисным. Обзор итогов ХХ века обычно начинают либо заголов-ками типа «Эпилог», «Эпитафия» (Азроянц 2002), «Конец истории», «Реквием» (Неклесса 2002), либо словами «Кризис», «Катастрофа», «Апокалипсис». Авторы первых главным итогом ХХ века считают глобализацию, авторы вторых – глобальный экологический кризис (ГЭК). Есть ли разница? Ведь в обоих случаях описываются, по сути, одни и те

же события. Но вопрос в том, с каких методологических позиций. Говоря о глобализации, исследователи, а это чаще всего историки и экономисты, анализируют современные процессы. О кризисе (ГЭК) говорят те, кто сравнивают современные геоэкологические процессы с прежними, то есть расширяют тему анализа до итогов цивилизации . То есть разница в интервалах осмысляемого. И здесь уместно привести заключение специалистов по проблемам управления во главес И. В. Прангишвили (Прангишвили и др. 2001) о том, что осмысление результатов социальных процессов всегда отстает от хода самих процессов как минимум на 15 лет. При анализе же системного геоэкологического кризиса это отставание, безусловно, куда более значительно.

У статьи две цели: 1) дать ответ геоэколога на вопросы, сформулированные синергетиками (Малинецкий и др. 2003; Прангишвили и др. 2001; Иноземцев 2003; и др.); 2) обсудить конкретные различия в оценке событий ХХ века (а это прежде всего процессы глобализации), возникшие между экономистами и историками (Азроянц 2002; Неклесса 2002; Субетто 2003), с одной стороны, и геоэкологами – с другой. Два слова о методологии анализа. В подкупающей своей цельностью книге Э. А. Азроянца (Азроянц 2002) глобализация рас-сматривается поочередно как проблема, как реальность и как процесс. Мне кажется, правильнее не разрывать эти три аспекта глобализации, а найти другую, содержательную ее классификацию. В этом я ближе к логике А. С. Панарина (2002) и А. И. Неклессы (2002). И ниже буду классифицировать глобализацию как проблему, реальность и процесс одновременно, выделяя четыре главные ее ипостаси (сущностные вариации), с характерными для каждой индикаторами (см. табл. 1, с. 106). Конечно, ипостасей может быть и больше, но ограничусь главными. Есть еще одно важное различие в описаниях глобализации – их можно разделить по степени соотношения эмпиризма и теории. Например, только что опубликован двухтомник трудов конференции, проведенной общественной Петровской академией наук и искусств под руководством А. И. Субетто (Субетто 2003). В нем на 750 страницах представлено 48 статей 44 видных экономистов, философов и историков, при-

держивающихся или сочувствующих социалистической идеологии. Авторы его трактуют глобализацию как заключительный этап развития империализма и капитализма. А в качестве определяющей силы называют «капиталократию» .

При этом процессу глобализации противопоставляется антиглобалистское движение, которое А. И. Субетто принимает за начало «второй волны Глобальной Социалистической Цивилизационной Революции» (Субетто 2003: 39–41).

Идеологической трактовке глобализации противостоит прагматическая трактовка, характерная для большинства зарубежных монографий и обзоров, а у нас развиваемая В. Л. Иноземцевым вжурнале «Свободная мысль – XXI» (Иноземцев 2003). Он подчеркивает совершенно объективную и закономерную реальность глобализации как она есть и не считает правильным давать ей какуюлибо эмоциональную оценку. При этом, однако, характеризует

движение антиглобалистов как тупиковое и деградационное. Им де, антиглобалистам, «нечего предложить миру» (Иноземцев 2003). Есть и третья трактовка глобализации как некоего мировоззрения . Первая часть очень содержательной коллективной монографии «Глобальное сообщество», собранной А. И. Неклессой (2002), так и называется «Глобализм как феномен и как мировоззрение». Такая трактовка наиболее интересна, хотя и спорна.

Не примыкая ни к одной из этих трактовок, я предприму нижесвой независимый анализ, следуя таблице 1 (с. 106). Эколого-демографическая ипостась глобализации Ее индикаторами являются два процесса трансграничного пере-

носа – загрязнение окружающей среды токсическими отходами техногенной деятельности и этническое смешение населения. Жаком Аттали (1990) последнее именуется «ростом кочевников». Действительно, примерно каждый пятый рабочий в Германии является турком, во Франции – арабом, в США – мексиканцем. Что нашими рынками наполовину заправляют выходцы с Кавказа и из Средней Азии, мы видим и сами. По данным Н. Ф. Минеева (Субетто 2003: 79), иностранцы среди жителей Германии составляют 9 %, в США – 9,8 %, в Канаде – 17,1 %, в Швеции – 19,4 %, в Австрии – 21,1 %, а в Люксембурге даже 34,9 %. Откуда идут эти потоки мигрантов? Из стран Юга, которые являются самыми бедными. Что такое трансграничный перенос загрязнений , посмотрим на примере кислотных дождей и переноса радиоактивных изотопов – самых характерных проявлений техносферных процессов. Механизм кислотных дождей заключается в окислении диоксидов серы и оксидов азота в облачных каплях и тумане Асимметрия «демографического взрыва», ведущая к биосоциальной неустойчивости человеческой популяции (Коптюг и др. 1996).

до семи дней и ветрами переносятся на сотни и тысячи километровот района выбросов. Выпадая над лесами, кислотные дожди сжигают листву, а над озерами – убивают планктон и рыбу. После дождей с концентрацией рН ниже трех почва теряет способность что-либо производить. Уже сейчас, при средней интенсивности кислотных дождей в 400 единиц на гектар, мертвыми оказываются огромные площади лесов и тысячи озер. Однако, по расчетам Р. Айреса, к 2040 г. интенсивность кислотных дождей может возрасти до 2400–

3600 единиц, то есть в 6–9 раз (Кондратьев 1999). Перенос радиоактивных осадков «работает» на еще большие расстояния. Так, во время чернобыльской аварии около 280 разных радионуклидов выпало на территории от Швеции до Турции. Изотопы стронция и цезия, выброшенные при новоземельских испытаниях, отравили лишайникипо всему северу Евразии, а следовательно, и оленей вплоть до Чукотки. И у чукчей, питающихся олениной, концентрация этих изотопов оказалась сопоставимой с той, которая отмечена у жителей окрестностей Чернобыля (Фешбах, Френди 1992). И еще: в молоке эскимосок Гренландии и в телах пингвинов Антарктиды, питающихся рыбой, и сейчас обнаруживаются высокие, в миллионы раз превышающие водный фон, концентрации пестицидов, хотя они давно запрещены в сельском хозяйстве. Итак, трансграничные переносы – это самые явные и бесспорные индикаторы глобализации как процесса заполнения экосферы Земли людьми и отходами их техногенной деятельности и глобального экологического кризиса! Видно, что демографический взрыв – скачкообразное почти четырехкратное (!) увеличение населения Земли за ХХ век, на 4,5 млрд (с 1,6 до 6,1 млрд) – является ведущей, но не единственной характеристикой глобального экокризиса. Описывать параметры ГЭК здесь нет возможности, это сделано ранее (Зубаков 2000а). Ограничусь ссылкой на поражающие воображение размеры загрязнения окру-

жающей среды на территории бывшего СССР. Они приведены в монографии М. Фешбаха и А. Френди (1992), из которой мы узнаем, что «самым-самым» экологически загрязненным городом мира является Норильск, морем – Каспий, а регионом – окрестности Кыштыма на Урале. По индексу Dwi – Dangerous wastes index – отношению объема ядовитых отходов к общему объему отходов – наше российское производство (Dwi – 4,53) оказывается, по Е. С. Ивлевой, в

20 раз (!) опаснее немецкого (Dwi – 0,26) и в три раза – американского (Dwi – 1,49) (Зубаков 2000а). Поэтому-то наш ведущий эколог А. В. Яблоков и назвал СССР «страной-мутантом». Индикаторные процессы глобального экокризиса (ГЭК) Самое важное для нас сейчас – это понять, что техногенное загрязнение биосферы и рост техногенных отходов (общий объем которых, если их распределить ровным слоем по поверхности суши, в пять раз превышает объем биомассы живого вещества) является прямым следствием демографического взрыва, происшедшего в ХХ веке. Если население Земли за ХХ век выросло

в 4 раза (точнее, в 3,75 раза), то объем техногенных выбросов возрос в 18 раз (!).

По законам биосферы, высшие консументы (лат. «потребители»), то есть все млекопитающие, включая род Homo, могут, не нарушая биоэкологических круговоротов, потреблять только 1 % земной биомассы. Человечество же перешло этот рубеж, по расчетам В. Г. Горшкова (1995), а за рубежом Витоусека, в начале ХХ века, и сейчас потребляет около 10 % всей биомассы планеты и около 40 % биомассы суши (!). Иными словами, оно за ХХ век на порядок превысило свою численность, разрешенную биоэкологическими

законами. К этому выводу независимо пришли и видные экономисты под руководством лауреатов Нобелевской премии Р. Гудленда и Х. Дэли (Goodland, Daly, Serafy 1991), из чего они заключили, что и возможности стихийного рынка в условиях переполненной экологической ниши исчерпали себя. Однако их выводы были проигнорированы политиками, собравшимися в Рио-де-Жанейро.

По законам биологии и экологии, у вида, превысившего пределы своей экониши, происходит сброс численности. Он хорошо изучен зоологами. Демографы деликатно именуют его «демографическим переходом» . Процесс его математически изучен С. П. Капицей (1999). Он считает, что переход займет 90 лет и что за это время численность человечества может свободно удвоиться, а рост производства продовольствия (которого потребуется в 2,5 раза больше, чем за всю историю человечества) может-де быть обеспечен за счет создания генетически модифицированных видов. По мнению же биологов, сброс численности человечества будет более катастрофичен. Приведу описание его академиком НАН Украины В. А. Кордюмом. Он пишет: «Если пренебречь Биосферой, списав ее со счета как обузу, если планету превратить в подсобное хозяйство, создать искусственную среду обитания и жить, ни в чем себе не отказывая, то тогда численность свыше 1 млрд приведет уже не только и не «просто» к разрушению Биосферы, а к разрушению всей планеты, сделав ее принципиально не пригодной для содержания на ней чрезмерной численности венца творения. Так постепенно формировалось представление, получившее в конце концов название «золотой миллиард» , то есть то количество людей, которое в итоге должно существовать на Земле. Должно, потому что иначе не может… Но что это значит в реалиях жизни? Динамическая избыточность – основа существования всего живого . Она является платой за устранение мутационного груза . Но избыточность стационарная – самая большая биоопасность для всего живого. Такая избыточность ставит вид (популяцию) в состояние невозможности длительного существования. А человечество перешагнуло все не только допустимые, но теперь уже и все недопустимые пределы численности… и продолжает идти дальше. Куда? К сбросу численности до 1 млрд. И вопрос теперь переходит в чисто практическую плоскость – Как? Как он будет реализовываться, не хочется даже думать. Время для мягких решений исчерпалось 50 лет назад. Сейчас решается (пока еще «самотеком»), где и кто должен исчезнуть , и где и кто останется» (Кордюм 2003: 51–53).

Прошу прощения за долгое цитирование, но мне нужно было показать, что в понятие «золотой миллиард» сейчас вкладывается два разных смысла: классово-идеологический (см.: Субетто 2003), и научно документированный подход к оценке оптимальной численности человечества (Горшков 1995; Goodland, Daly, Serafy 1991; Кордюм 2003).

Читатель может принять мнение В. А. Кордюма за «страшилку». Поэтому я продолжу обсуждение ссылкой на заключение главных специалистов планеты по проблемам продовольствия Л. Брауна и К. Флавина из WorldwatchInstitute. По их данным (Браун, Флавин и др. 1992), рост производства продовольствия на душу населения закончился в 1984 году. Во время «зеленой революции» в шестидесятых он достигал 13 % в год, в восьмидесятых снизился до 9 %, а после 1988 года он падает, причем с возрастающим ускорением, по всем видам продовольствия. Так, в 2000 г. он достиг отметки 7 %, а в 2002 г. уже 13 % Соответственно численность голодных в мире поднялась к 2002 г. до 1,3 млрд человек, составив 23 % населения. Но это не все… Параллельно идет катастрофическое снижение площади пашни на душу (с 0,18 до 0,12 га), растет дефицит пресной воды , растет эрозия почв, урожайность снижается, несмотря на рост расходования минеральных удобрений и пестицидов, поверхность океанов уже на четверть площади покрыта пленкой нефти, а их продуктивность соответственно уменьшилась на 20 % . Таким образом, научный анализ эколого-демографической ситуации на Земле показывает, что жестоко ругаемый Т. Мальтус, в принципе, был прав – неконтролируемый рост численности чело-

вечества является самой большой опасностью . Вековой спормальтузианцев и «корнукопианцев», полагающих, что ресурсыЗемли неисчерпаемы, решился в пользу первых – таково мнение ученых, как зарубежных (Миллер 1993–1996), так и отечественных (Реймерс 1992; Арский и др. 1997; и др.).

Информационная ипостась глобализации Освоение человечеством в начале ХХ века техники радиосвязи, в середине века телевидения и, наконец, в семидесятых годах электронно-компьютерной явилось величайшим рубежом в истории цивилизации. Информация стала мгновенной и неограниченной по объему. Идет информационная революция . Стоимость компьютеров падает, по Р. Кохане и И. Ней (International Politic 2001: 10), на 19 % в год, их вычислительная мощность удваивается за 18 месяцев, а объем содержащейся в них информации – за 100 дней (!). Так или иначе, мы уже свыклись с новыми возможностями информационного мира. Подумаем о значимостиинформационной революции как геоис-торического рубежа в истории человечества. Ранг этого рубежа сопоставим с появлением письменности и даже с появлением речи. А каковы социальные последствия информационной революции для развития культуры? Они радикальны, если не катастрофичны…В самом деле, культура с появлением письменности развивалась путем чтения, то есть в процессе индивидуального образовательного труда , и поэтому всегда имела личностную специфику. С появлением телевидения и Интернета все принципиально изменилось. Теле-экран, дающий зрительную, не требующую затраты труда информацию, при этом выбранную для нас другими , является мощнейшим инструментом интеллектуального и духовного зомбирования . Работая на рынок и на массы зрителей и используя для привлечения внимания к рекламе интригующие и примитивно развлекающие сюжеты, включая секс и насилие, телевидение, хотим мы или нет, меняет и саму культуру. Она превращается в массовую («черную поп-культуру»), служащую рынку, и становится инструментом политического зомбирования. Как тут не вспомнить, что недавно экран беспрерывно вещал нам, что замена социальных льгот на выплату нескольких сот дешевеющих рублей делается якобы в наших же интересах. Таким образом, при несомненных плюсах информационной революции, бесспорно увеличившей скорость научнотехнического прогресса на порядок, она одновременно определяет и негативный тренд в развитии культуры и общества. Фактор телезомбирования, по сути, предопределяет неизбежность трансформации гражданского демократического общества в общество информационно-рыночного тоталитаризма!

Два маленьких примера. Моему внуку во время его практики в США нужно было на два дня приехать из Вермонта в Нью-Йорк. Так его папа в Питере, пользуясь Интернетом, составил маршрут по Нью-Йорку с планом метро и всеми станциями пересадок, и внук мгновенно получил его. Второй пример. Я случайно узнаю, что мои брошюры, изданные частным порядком мизерным тиражом, продаются в Интернете. Как? Кем? Я был возмущен. Но, подумав, успокоился: Интернет – это же РЫНОК информации. И будь доволен тем, что твои идеи и обзоры имеют спрос. И еще, информационная революция принципиально по-новому разделила мир на две половины – информационно развитых и информационно отставших стран. И дело здесь не в числе компьютеров на душу. В начале девяностых 80,4 % всех компьютеров числилось, по В. Л. Иноземцеву (2000), за семью развитыми странами. И не в количестве сайтов на душу. По Р. О. Кохане, к Интернету в 2000 г. в США было подключено 40 % населения, в Германии 15 %, а в Китае только 0,1 %. По М. Г. Делягину (2003 г.), компьютерами сейчас владеет только 6 % землян, а сайтами в Интернете 2,6 %. Но эти показатели быстро изменяются. Дело в резко

возросшей стоимости образования и науки. Если недавно стоимость высшего образования в США оценивалась в 190 тыс. долларов на студента в год, то сейчас она возросла до 250 тыс. В России образование также стало (становится) платным, и не только высшее, но уже и среднее! В то же время на Земле

целый миллиард взрослых людей неграмотен (Глобальная экологическая перспектива). Образование стало привилегией богатых и,вместе с тем, приоритетом в государственных бюджетах передовыхстран. Характерно, что Южная Корея, вышедшая по темпам развития в мире на первое место, смогла сделать это, потому что обеспечила своим учителям самую высокую, по отношению к своемуВВП, зарплату в мире. Таков же парадокс, по А. Макхиджани(2000), штата Керала в бедной и полуграмотной Индии, добившегося под многолетним руководством коммунистов поголовной грамотности.Чтобы дать населению страны среднее образование, требуютсяусилия не менее двух поколений, как это и было в СССР. Но чтобыподнять на высокий уровень науку, а это значит обеспечить развитие научных школ , требуется не менее трех поколений. А разрушить науку можно всего за 15–20 лет, что и происходит сейчас вРоссии. В 1998 г. ассигнования на науку снизились у нас, по отношению к 1991 г., в пять раз, по данным очень тревожного обзораС. Г. Кара-Мурзы (2003), и составили всего 0,28 % ВВП (в развитых странах они колеблются от 1,5 до 4 % ВВП). Это привело к сокращению численности ученых вдвое, а объема обновляемого научного оборудования в 20–25 раз. Соответственно число заявок наизобретения сократилось, по И. Л. Андрееву (2003), в 6,6 раз, ачисло патентов в 13 раз. В итоге наши научные инновации опустились до 0,84 % мировых, а наше наукоемкое производство составляет сейчас только 5 % ВВП, по сравнению с его ростом в развитыхстранах до 90 % ВВП.

5. Дописать ядерную реакцию и определить порядковый номер и массовое число второго ядра. Описать воздействие изотопов данной реакции на организм человека.

90 Th 230 → 88 Ra 226 + 2 He 4

Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов, частиц, из которых состоит атомное ядро. Поскольку протоны – положительно заряженные частицы, а нейтроны не несут никакого заряда, альфа-частицы обладают положительным зарядом. Они встречаются и в природе. Альфа-частицы излучают химические элементы с тяжелые ядрами, такие как уран или радий, а также те, что были получены человеком. Из-за своего относительно большого размера альфа-частицы часто сталкиваются с частицами среды и очень быстро теряют энергию. Поэтому они имеют малую проницающую способность и не способны преодолеть даже наружный слой кожи или лист бумаги.

Однако, при попадании источника альфа-излучения внутрь организма (через дыхательные пути или в желудочно-кишечный тракт путем вдыхания или проглатывания радиоактивной пыли), такие частицы могут вызвать намного более серьезные повреждения биологической ткани, чем все прочие типы радиоактивного излучения.

Список используемой литературы:

1. Горелов А.А. «Концепции современного естествознания », М.: Высшее

образование, 2006.

2.Канке В.А. «Концепции современного естествознания», М.: «Логос», 2001.

3.Хотунцев Ю.М. Экология и экологическая безопасность. - М.: АСADEMA,

4.Ващекин Н.П., Лось В.А., Урсул А.Д. «Концепции современного естество –

знания», М.: МГУК, 2000.

Рузавин Г.И. «Концепции современного естествознания», М.: «Юнити»,

6. Солопов Е.Ф. «Концепции современного естествознания», М.: «Владос»,

Структурные уровни организации материи

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Структурные уровни организации материи
Рубрика (тематическая категория)	Образование

В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всœех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только всœе непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и всœе то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир - это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всœеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире всœе объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всœех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.

Согласно современной естественно-научной картинœе мира всœе природные объекты также представляют из себяупорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем - неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселœенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура - это совокупность связей между элементами системы. По этой причине любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являют-

ся горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями - вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселœенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На базе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир - область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 - 24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир - мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, ᴛ.ᴇ. макротелами.

Мегамир - сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя всœе эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.

Структурные уровни организации материи - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Структурные уровни организации материи" 2017, 2018.

В своем формировании категория «материя » (как субстанция мира) прошла три этапа или так называемые три исторические формы материализма:
На первом этапе материя отождествлялась с конкретной природной стихией, с конкретным видом вещества: водой (Фалес), воздухом (Анаксимен), огнем (Гераклит), атомами (Демокрит). Этот этап носит название стихийного материализма древних.

Второй этап носит название механистического, метафизического материализма. Он был характерен для . Развитие в XVII-XVIII вв. математики и механики coдействовало изучению природы и обогащению представлений о материи. В новоевропейской философии материя наделялась рядом атрибутивных свойств, которые были изучены в рамках классической науки того времени (механики Ньютона) - массой, протяженностью, инерцией, неделимостью, непроницаемостью и т.д. Носителем этих свойств выступали различные проявления первовещества (элементы, корпускулы, атомы). На этом этапе завершается построение механистической картины мира. Эта картина мира сложилась в результате научной революции XVI-XVII вв., оформилась в целостное образование к XVIII веку и господствовала на протяжении XIX века. Основу механистической картины мира составил атозм, который весь мир, включая и человека, понимал как совокупность огромного числа атомов, перемещающихся в пространстве и времени. Ключевым понятием было понятие движение. Однако все многообразие форм и видов движения в природе сводилось к механическому движению (к простому перемещению тел И пространстве). Кроме того, в качестве движения предполагался некий первотолчок, находящийся за пределами мира. Отсюда и знание - механистический, метафизический материализм.

Следует отметить, что для первого и второго этапов характерно представление о материи как о субстрате, т.е. как о строительном материале, из которого состоит все в мире. Кроме того, эти этапы были тесно связаны с уровнем развития научного знания своего времени. В XIX веке совершается ряд научных открытий:
- физика проникает в микромир;
- наряду с веществом вводится понятие электромагнитного поля (Фарадей, Максвелл);
- открывается явление радиоактивности;
- атом перестает быть конечным пределом делимости материи;
- А. Эйнштейн создает теорию относительности.

Все это способствовало появлению убеждения, что нельзя материю отождествлять с веществом , с каким-то конкретным ее видом, т.к. наука постоянно развивается, и как следствие этого меняются представления о мире. В философии возникла выработать такое представление о материи, которое характеризовало бы ее любые формы, виды, независимо оттого, познаны они уже или нет, и независимо от того, какими конкретными свойствами и качествами эти формы и виды обладают.

Третий этап - это этап возникновения материализма. В диалектико-материалистической традиции были окончательно разведены конкретно-научный и философские подходы к пониманию материи, а в ее определении, сформулированном В.И. Лениным, из всего многообразия свойств в качестве самого главного было выделено свойство материи быть объективной реальностью, т.е. не зависеть от . Причем, в диалектико-материалистической традиции материя, как объективная реальность охватывает не только мир , но социум т.е. объективные процессы в обществе.

Материя - это Философская категория для обозначения объективной реальности, существующей независимо от человеческого сознания и отображаемой им. Понятие материя - это абстракция. Не существует материя как таковая вообще, как и человек вообще, стол вообще, т.е. как нечто чувственно воспринимаемое, как нечто положенное рядом с вещами. Материя существует в конкретных бесконечно многообразных видах и форма вещей, процессов, явлений, состояний. Ни один из этих видов, форм и состояний не может быть отождествлен с материей, но все и многообразие, включая их связи и взаимодействия, составляю материальную действительность.

В основе современных научных представлений о строении материи лежит идея о ее сложной системно-структурной организации. Материя - это не сплошное однородное целое . Она структурно организована, и эту структурную организацию можно обнаружить в любом ее элементе. К тому же структура материи не является одноуровневой. Она представляет собой многообразие качественно своеобразных материальных форм различной степени-сложности.