Контрольная работа по дисциплине "Концепция современного естествознания"

Это возможно, т.к. такие системы  эквивалентны. Такую симметрию условно  называют изотропностью пространства-времени. Переход же осуществляется с помощью  преобразований Галилея или преобразований Лоренца. Описанные выше 4 вида симметрии  являются универсальными. Это означает, что все законы природы относительно них инвариантны с большой  степенью точности, а соответствующие  им законы являются фундаментальными. К этим законам относятся соответственно:

1. Закон сохранения импульса  как следствие однородности пространства.

2. Закон сохранения момента  импульса как следствие изотропности  пространства.

3. Закон сохранения энергии  как следствие однородности времени.

4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропност

пространства-времени).

Как уже было сказано ранее, описанные виды симметрий относятся  к геометрическим. Связь с законами сохранения обнаруживают и динамические симметрии. С динамическими симметриями связан закон сохранения электрического заряда (при превращении элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной), закон сохранения лептонного заряда (при превращении элементарных частиц сумма разность числа пептонов и антилептонов не меняется) и т.д.

Симметрия и асимметрия живого.

Дело в том, что «живые»  молекулы, т.е. молекулы органических веществ, составляющих живые организмы и  полученные в ходе жизнедеятельности, отличаются от «неживых», т.е. полученных искусственно, отличаются зеркальной симметрией. Неживые молекулы могут быть как зеркально симметричны, так и зеркально асимметричны, как, например, левая и правая перчатка. Это свойства зеркальной асимметрии молекул называется киральностью, или хиральностью. Неживые киральные морекулы встречаются в природе как в «левом» так и в «правом» варианте, т.е. они кирально нечистые. «Живые» молекулы могут быть только одной ориентации – «левой» или «правой», т.е. здесь говорят о киральной чистоте живого. Например, молекула ДНК, как известно, имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая. У глюкозы, образующейся в организме правовращающая форма, у фруктозы – левовращающая.

Нарушение симметрии  как источник самоорганизации.

В качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, рассмотренный нами ранее, включает инфляционную стадию (раздувание) от «ложного вакуума» – вакуума, обладающего огромной энергией. Такой вакуум обладает стремление к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его расширение. «Ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, а следовательно, нестабильное состояние. В свете инфляционной теории эволюция Вселенной предстает как синергетический самоорганизующийся процесс. Если считать Вселенную замкнутой системой, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены как взаимодействие двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Согласно этой теории в процессе расширения из «суперсимметричного» состояния Вселенная разогрелась до температуры, соответствующей Большому Взрыву. Дальнейшее ее развитие по мере падения температуры пролегало через критические точки бифуркации (ветвления), в которых происходили спонтанные нарушения симметрий исходного вакуума. Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражается в том, что он отдает энергию на рождение микрообъектов, на приобретение их масс и зарядов, вследстве чего плотность энергии вакуума уменьшается.

Важным здесь является и то, что ход этой эволюции, выбор  пути развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, что в результате появилась именно такая Вселенная, какую мы наблюдаем, т.е. Вселенная, в которой оказалась возможной  жизнь нашего типа и появление  самого наблюдателя (т.н. антропный  принцип).

Асимметрия и  жизнь

Асимметрия и жизнь. Открытие киральной чистоты молекул биогенного происхождения проливает новый  свет на возникновение жизни на Земле, которое могло быть вызвано спонтанным нарушением существующей до того зеркальной симметрии. Факторами возникновения  асимметрии могли быть радиация, температура, давление, воздействие электромагнитных полей и др. Возможно, что жизнь на Земле зародилась в виде структур, схожих с генами современных организмов. Это мог быть акт самоорганизации материи в виде скачка, а не постепенной эволюции. В связи с этим говорят о Большом Биологическом Взрыве.

Исследования показывают, что в ходе развития жизни асимметрия все больше и больше вытесняет  симметрию из биологических и  химических процессов. Внешне симметричные полушария головного мозга различаются  по своим функциям. Явно асимметричным  признаком является разделение полов  – достаточно «позднее приобретение»  эволюции, причем каждый пол вносит в процесс воспроизведения свою генетическую информацию. Симметрия  и асимметрия живого проявляются  и в важнейших факторах эволюции. Так в устойчивости видов (наследственность) проявляется симметрия, а в их изменчивости – асимметрия.

Тема 34. «Модель расширяющейся  Вселенной и модель большого взрыва»

Нас интересуют события, которые  произошли, по разным оценкам, 13 -20 млрд. лет назад (13 млрд. лет в соответствии с теорией «закрытого мира», а 20 млрд. лет по теории «Открытого мира»). Все  это время наша Вселенная, согласно теории Большого взрыва, постоянно  расширялась. В пролом же плотность  вещества должна было быть огромной. Согласно теории А. Фридмана следует, что плотность  могла быть бесконечно большой, хотя некоторые ученые называют некий  возможный предел значения плотности  вещества, примерно равный 10 кг/м3

Другим важным параметром является температура. Вопрос о том, «холодной» или «горячей» была материя  в ту эпоху, долгое время оставался  спорным. Решающие доказательства, что  Вселенная была горячей, удалось  получить в середине 60-х годов. В  настоящее время большинство  космологов считает, что материя  в начале расширения Вселенной была не только сверхплотной, но и очень  горячей, а теория рассматривающая физические процессы в начале расширения Вселенной получила название «теории горячей Вселенной».

Согласно этой теории, ранняя Вселенная представляла собой гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Началом  работы Вселенского ускорителя был  Большой взрыв. Этот термин часто  применяют современные космологи. Наблюдаемый разлет галактик и их скоплений – следствие Большого взрыва. Академик Я.Б. Зельдович назвал этот взрыв астрономическим, тем  самым, подчеркнув его отличие от химического взрыва.

У обоих взрывов есть общие  черты, например, в обоих случаях  вещество после взрыва охлаждается  при расширении, падает и его плотность. Но есть и существенный отличия. Главное  состоит в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением  в окружающей среде (воздухе). Эта  разность давлений создает силу, сообщающую скорость частицам заряда взрывчатого  вещества. В астрономическом взрыве подобной разности давлений нет. Астрономический  взрыв не начался из какого-то определенного  центра, распространяясь на все большие  области, а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более что «все пространство»  в начале взрыва могло быть как  конечным (теория замкнутого мира), так  и бесконечным (теория открытого  мира).

В теории космологии приято эволюцию вселенной разделять на 4 эры:

а)      адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся  высокой температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц — «адронов»);

б)      лептонная  эра (следующая фаза, характеризующаяся  снижением энергии частиц и температуры  вещества, состоящего из элементарных частиц

«лептонов». Адроны распадаются  в мюоны и мюонное нейтрино — образуется «нейтринное море»;

в)      фотонная эра или эра излучения (характеризуется  снижением температуры до 10 К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества);

г)       звездная эра (продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц,  продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет назад) до наших  дней.

В нулевой момент времени  Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом, характеризующейся бесконечно высокими плотностью, давлением, температурой и кривизной. Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».

В течение первой миллионной доли секунды, когда температура  значительно превышала 10 К (по некоторым оценкам до 10  К),  а плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными словами материя Вселенной представляла собой электронно-позитронные пары (е и е); мюонами и антимюонами (м и м); нейтрино и антинейтрино, как электронными (v, v), так и мюонными (v, v) и тау-нейтрино (v, v); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все  имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и  античастица) и аннигилировать. Это  взаимное превращение частиц в излучение  и обратно продолжалось до тез  пор, пока плотность энергии фотонов  превышала значение пороговой энергии  образования частиц. Когда возраст  Вселенной достиг одной сотой  доли секунды, ее температура упала  примерно до 10 К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам

Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10  К и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

Существует два основных взгляда на процесс формирования галактик. Первый состоит в том, что  в любой момент времени в расширяющейся  смеси вещества и излучения могли  существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате сил тяготения эти  области сначала отделились в  виде очень протяженных сгустков вещества. В этих сгустках начался  процесс фрагментации, приведший  к образованию облаков меньших размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших (по галактическим размерам) сгустках под действием сил тяготения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд. Другая точка зрения дает другой сценарий: вначале из флуктуации плотности в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, в более крупные иерархические структуры.

Главным в споре этих двух взглядов является ответ на вопрос, имел ли процесс Большого взрыва вихревой (турбулентный) характер или протекал более гладко. Признаков турбулентности в крупномасштабной структуре сегодняшней  Вселенной не наблюдается. Вселенная  выглядит удивительно сглаженной в  крупных масштабах, несмотря на некоторые  отклонения, в целом далекие галактики  и их скопления галактики распределены по всему небу равномерно, а степень  изотропности фонового излучения также  довольно высока. Все это заставляет признать, что Большой взрыв был  безвихревым, упорядоченным процессом  расширения.

В1978 г., пытаясь найти обоснование  для наблюдаемого соотношения фотонов  и барионов (10  : 1) М. Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом «эпидемии» образования массивных звезд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд. лет. Продолжительность жизни этих звезд не могла превышать 10 млн. лет, многим из них было суждено пройти стадию сверхновых и выбросить в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твердого вещества, образовав облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звезд, могла, в свою очередь, испускать инфракрасное излучение, которое в силу его красного смещения, вызванного расширением Вселенной, наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение.

Эта точка зрения не получила широкого признания, но в1979 г. Д.П. Вуди и П.Л. Ричарде из Калифорнийского  университета опубликовали результаты наблюдений, указывающие на некоторые  отклонения характеристик микроволнового фонового излучения от кривой излучения  абсолютно черного тела. В том же году М. Роуэн-Робинсон, Дж. Негропонте и Дж. Силк (Колледж королевы Марии, Лондон) указали, что отклонения обнаруженные Вуди и Ричардсом, может быть объяснено излучением пылевых облаков, образовавшихся вслед за «эпидемией» массового формирования звезд, что соответствует теории М. Риса. Если эта новая теория соответствует истине, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звезд первичного, догалактического, поколения и в настоящее время может находиться в массивных темных гало, окружающих яркие галактики, которые мы наблюдаем сегодня.

Тема 39. Атмосфера Земли: строение, состав, функции.

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.