Реферат: Концепции современного естествознания

Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени неясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым сильным является короткодейству­ющее сильное взаимодействие, электромагнитное слабее его на два порядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационнное — самое сла­бое, оно меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величи­ной сил взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия происходят при столкновении частиц с око­лосветовыми скоростями, и время реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает величину порядка 10-23 с. В случае слабого взаимодействия процессы происходят медлен­ней — за 10-9 с. Характерные времена для гравитационного взаимо­действия порядка 1016 с, или 300 млн лет.

Среди электромагнитных взаимодействий для примера можно выделить химическую реакцию, в медицине -  рентгеновское обследование. Что касается любви – то это соединение всех четырех взаимодействий в одно.

8.   В чем суть соотношения неопределенностей Гейзенберга? Как Вы понимаете слова Ричарда Феймана: «Микрочастицы не похожи ни на что, из того, что Вам хоть когда-нибудь приходилось видеть».

Гейзенберг представил физические величины как совокупность всех возможных амплитуд перехода из одного квантового состояния в другие. Сама вероятность перехода пропорциональна квадрату мо­дуля амплитуды, именно эти амплитуды и наблюдаются в экспери­ментах. Тогда каждая величина должна иметь два индекса, соответ­ствующих верхнему и нижнему состояниям. Эти величины называ­ются матрицами. Гейзенберг получил и уравнения для наблюдаемых величин, но в первоначальном виде они были сложными. В 1926 г. он сумел объяснить отличие двух систем термов для пара- и ортогелия как соответствующих симметричным и антисимметричным решениям его уравнения.

Гейзенберг в решении проблем, которыми начал заниматься с 1925 г., шел от наглядных феноменологических моделей. В 1927 г. он при поддержке Бора и его школы предложил устранить противоре­чие волна — частица, которое он понимал как некую аналогию. Счи­тая, что "совокупность атомных явлений невозможно непосредствен­но выразить нашим языком", он предложил отказаться от представ­ления о материальной точке, точно локализованной во времени и пространстве. Либо точное положение в пространстве при полной не­определенности во времени, либо наоборот — таково требование квантовых скачков.

Так Гейзенберг пришел к формулировке принципа неопределенно­сти, устанавливающего границы применимости классической физи­ки. Этот принцип, принесший ему большую известность и до сих пор вызывающий дискуссии, представляет фундаментальное положение квантовой теории, отражая ограничение информации о микробъектах самими средствами наблюдения. Гейзенберг подсчитал Предельную точность определения положения и скорости электрона  из так называемых перестановочных соотношений квантовой меха­ники.   В то время в моде были мысленные эксперименты. Допустим, в какой-то момент нам нужно угнать положение и скорость электрона. Самый точный метод — осветить электрон пучком фотонов. Электрон  столкнется с фотоном, и его положение будет определено с точ­ностью до длины волны используемого фотона. Для максимальной точности нужно использовать фотоны наимень­шей длины, т. е. большей частоты, или обладающие большими энер­гией Е и импульсом hv/c. Но чем больше импульс фотона, тем силь­нее он исказит импульс электрона. Чтобы знать точно положение электрона, нужно использовать фотоны бесконечной частоты, но тогда и импульс его будет бесконечным, так что количество движе­ния электрона будет совершенно неопределенным. И, наоборот, же­лая определить точно импульс электрона, из аналогичных рассужде­ний придем к неопределенности и положении. Выразив неопределен­ность положения как Dq, а неопределенность импульса как р, полу­чим Dq Dр³h. Если взять сопряженные им величины — энергию Е и время t, то квантово-механическое соотношение неопределенности для них будет Dt DЕ³h.

Высказывание Ричарда Феймана лишь доказывает что, сложно представить  частицу, которая бы обладала свойствами и волны, и частицы.

9.   как происходит образование элементов во Вселенной по модели Большого взрыва. Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе.

Светимость нашей  Галактики оценивают числом 1054 эрг/с. Если возраст Галактики 1010 лет, то при постоянной  светимости она выделила за -это время 2*1061 эрг. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия 2,5* 10-5 эрг. Следовательно, за время существования Галактики в ней образовалось 1066 альфа-частиц. При массе частицы 6,67*10-24 г это составляет 7*1042 г, а масса Галактики — 4*1044 г. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н могло бы быть 7/400, или 1/57, по массе или 1/230 по числу атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых оценок понятно, как получать согласие модели с данными соотношениями.

Плотность материи во Вселенной r практически совпадает с плот­ностью реликтового излучения. Она может быть выражена через энергию r = Е/с2, а, значит, и температуру Е = sТ4. С другой сторо­ны, r = M/(4/3)pR3, R = (9GMt2/2)1/3 и r (5*105/t2) г/см3. Здесь время t в секундах. Отсюда ясна связь температуры Т и времени, прошедше­го от начала расширения: Т@ 1010/Öt

Сначала (при t<0,01 с) температура очень высока, и вещество со­стоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря при­сутствию электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино проис­ходит непрерывное превращение n + е+« р + u-  и обратно, р + е- «n+ u. При охлаждении за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов, и начнется образование дейтерия, трития, изотопа гелия He-3 и Не-4. Через 100 с от начала расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По весу водород составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Все­ленной к началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту начальную стадию делят на четыре "эры". Для каждой из них можно выделить преобладающую форму суще­ствования материи, в соответствии с чем и даны названия.

В самом начале эры адронов, продолжавшейся 0,0001 с, была вели­ка энергия гамма-квантов. При высоких температурах могли суще­ствовать частицы только больших масс, для которых существенно и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделяют на адроны и лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и медленных, поэтому первые эры получили такие названия.

Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов. Плотность d > 1014, Т > 1012 К, t< 0,0001 с. Основную роль играет излучение, количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но оста­ется некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением

 вышли последовательно гипероны, нуклоны, К- и p-мезоны и их античастицы. Продолжительность эры лептонов 0,0001 <t< 10с, при этом 1010 К < Т <1012 К; 104 < d < 1014 Основную роль, играют легкие части­цы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтро­нами. Постепенно из равновесия с излучением вышли мю-мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны распались на электроны, электронное антинейтрино и мю-онное нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция элек­тронов и позитронов. Спустя 0,2 с Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино, и они перестают взаимодействовать с ве­ществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но температура их должна была снизиться до 2 К, поэтому пока их не могут обнаружить.

Далее приходит фотонная эра продолжительностью 1 млн лет. Ос­новная доля массы—энергии Вселенной приходится на фотоны, ко­торые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры про­исходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные превращения прото­нов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказы­вались энергетически более выгодными и, значит, более вероятны­ми. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтро­нов остановилось на 15%.

В начале эры излучения 3000 К < T< 1010 К; 10-21 < d < 104г/см3 ней­троны захватываются протонами, и происходит образование ядер ге­лия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейт­ронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла со­ставить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3 000 К, плотность уменьшилась на 5-6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от веще­ства, Вселенная стала прозрачной для вещества, и пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начина­ет трать вещество.

В звездную эру, наступившую при t порядка 1 млн. лет, Т прибли­зительно равно 3 000 К, а плотность d порядка 10-21г/см3 Начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Основными источниками сведений  о распространенности химических элементов служат данные о составе Солнца полученные с помощью спектрального  анализа, и результаты лабораторных   химических анализов материала земной коры. метеоритов пород поверхности Луны и планет.. Принято выражать количество атомов какого-либо химического элемента по отношению к кремнию в  разных природных системах. поскольку кремний принадлежит к  обильным и труднолетучим  элeментам.

С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает  неравномерно, причем элементы с четным порядковым номе' ром более распространены, чем с нечетным,  особенно элементы с массовым числом, кратным 4, например. Не, С, О, Ne, Мд, Si, S, Ar, Са. ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2. 8. 20, 50, 82, 126 . Этим "магическим" числам соответствуют заполненные ядерные оболочки, характеризующие устойчивые ядра.   По этому поводу американс­кие космохимики Гарольд Юри   и Г.Зюсс сказали так: "Представляется, что распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на юлу космическою ядерною пожара, в котором оно было создано".

Большинство газов (или летучей части солнечного вещества) — Н, Не, СО, О, N, СО2 и все инертные газы. Основную часть внутрен­них планет и метеоритов составляют нелетучие элементы солнечного вещества — Si, Ре, Vg, Са, Al, Mi, Na. Проводя детальные сравнения, Виноградов показал, что эти породообразующие элементы планет и метеоритов непосредственно выброшены Солнцем, и не за­хвачены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет связаны с вторичными процессами и тем, что элементы входят в разные соединения, пребывая в разных агрегатных состоя­ниях. Особенно близок состав нелетучей части элементов Солнца и наиболее распространенных каменных метеоритов — хондритов.

Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов при Т>0, при низких температурах переходит в твердое состояние, а атомы газов вступают в соединения. Инертные газы в соединения не вступают, оставаясь и при низких температурах в газообразном со­стоянии. Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той сте­пени, и какой они проявляли свою активность, поэтому инертные газы как на Земле, так и в метеоритах встречаются редко. Что каса­ется изотопного состава С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, Ва, К, Си, то он оди­наков на Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не проведено, но для С12:С13 он такой же, как и на Земле. Исследования по инертным газам показали идентичность изо­топного состава в солнечной системе, но на других звездах это отно­шение иное.

Таким образом, все тела солнечной системы построены из неболь­шого числа элементов (около 28 номера таблицы Менделеева распро­страненность существенно падает) и имеют единое происхождение. Метеориты, большинство которых оказались очень древними, дали ценную научную информацию об истории возникновения отдельных тел солнечной системы. По оценкам, основанным на радиоактив­ном распаде урана, тория, рубидия и калия, их возраст около 4,5—4,6 млрд лет, т. е. совпадает с возрастом Земли и Луны. В них насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи на земные. Вероятно, метеориты образовались тогда же, что и плане­ты земной группы. Согласно принятой в геологии классификации, все элементы разделены на четыре группы. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах; литофильные образуют твер­дые оболочки планет; халькофильные создают соединения с серой, подобные меди; сидерофильные способны растворяться в сплавах же­леза.

10.       Круговороты каких веществ определяют основные факторы формирования климата и каким образом.

Планеты земной группы, как предполагают ученые, когда-то были похожи друг на друга.

Разница в климате возникла из-зи разного круговорота углекислого газа при обмене им между корой и атмосферой. Как и водяной пар, углекислый газ является газом парниковым, так как он, пропуская солнечный свет, поглощает тепло планеты и переизлучает часть его к поверхности.

Оценки сделанные М. Хартром, показали снижение содержания углекислого газа в атмосфере со скоростью, точно компенсирующей возрастание светимости Солнца. Он провел аналогичные рассчеты для иных, чем у Земли, расстояний от Солнца и получил, что при расстоянии от Солнца меньше 1 а. Е. На 5% атмосфера бы нагрелась настолько, что океаны испарились бы в  результате разгоняющегося парникового эффекта, а на расстоянии дальше на 1% а. Е. От Солнца имело бы разгоняющееся оледенение. Только в узкой полоске расстояний между 0,95 и 1,01 а.е. Земля смогла бы избежать этой катастрофы климата.

Нелепо предполагать, что это редкая случайность – появление жизни на нашей планете в таком узком кольце Солнечной системы. Скорее всего, содержание углекислого газа менялось в соответствии с изменением температуры поверхности Земли. Этот режим саморегуляции обеспечил нашей планете устойчивость климата.

Эта обратная связь могла обеспечиваться карбонатно-силикатным геохимическим циклом, который способен отвечать за 80% обмена  углекислым газом между планетой и ее атмосферой на временных интервалах более 0,5 млн. лет.
Началом цикла можно считать растворение содержащегося в атмосфере углекислого газа в водяных капельках и образование угольной кислоты. Дождевые осадки разрушали горные породы, состоявшие из соединений кальция, кремния и кислорода. Угольная кислота вступает в реакцию с породами на поверхности, высвобождая ионы кальция и бикарбоната, которые поступают в грунтовые воды, а за­тем в океан, где оседают в скелетах и раковинах планктона и других организмах, состоящих из карбоната кальция (СаСО3). Останки этих организмов откладываются на океанском дне, формируя осадочные породы. Дно моря расширяется, через много тысяч лет эти породы приблизятся к краям континентов. Дно подтягивает их под берег, они попадают в земные, недра, где на них действуют давление и температура. Карбонат кальция соединяется с кремнием, образуя силикатные породы и выделяя углекислый газ, т. е. происходит карбонатный метаболизм. Газ попадает вновь в атмосферу через извержения вулканов и срединно-океанические хребты. Цикл завер­шается (рис. 129).

Изменения температуры земной поверхности влияют на количе­ство углекислого газа в атмосфере и величину парникового эффекта. Пусть по какой-то причине на Земле стало прохладнее. При более низкой температуре меньше воды испарится из океана в атмосферу, меньше выпадет дождей, и уменьшится эрозия почвы, вызванная осадками. Тогда скорость покидания атмосферы углекислым газом уменьшится, а скорость регенерации его в процессе карбонатного ме­таболизма и поступления в атмосферу останется на прежнем уровне. Это приведет к накоплению СО2, усилению парникового эффекта и восстановлению более теплого климата. Если по какой-то причине на Земле произошло потепление, то обратная связь сработает в другую  сторону, и равновесие установится.   Предположим, что все океаны вымерзли, дожди прекратились,

  содержание СО, в атмосфере возросло. При современной скорости выделения давление его в 1 бар создается за 20 млн. лет, такого коли­чества углекислого газа хватит на поднятие средней температуры до +50 °С. Значит, льды растают и восстановится нормальный для жиз­ни климат.

В круговороте углекислого газа большую роль играют живые орга­низмы, определяющие изменения климата. Часть углекислого газа (около 20 %), не участвующая в карбонатно-силикатном обмене, вы­водится из атмосферы фотосинтезирующими растениями. При гние­нии растений и окислении в почве накапливается СО2, в результате его оказывается в почве больше, чем было 400 млн. лет назад до появления растений, поэтому превращение силикатных материалов в осадочные карбонатные породы происходит быстрее. Расчеты пока­зывают, что исчезновение растений привело бы в повышению тем­пературы на 10° за счет отрицательной обратной связи силикатно-карбонатного цикла.