ЕНКМ_3 часть

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

(Часть 3)

КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 2012

УДК 520/524 ББК 22.65 И 90

Печатается по рекомендации Совета Астрономической обсерватории

им. В.П. Энгельгардта

Научный редактор – акад. АН РТ, д-р физ.-мат. наук, проф. Н.А. Сахибуллин

Рецензенты:

д-р физ.-мат. наук, проф. А.И. Нефедьева д-р физ.-мат. наук, проф. Р.А. Кащеев

Коллектив авторов: Нефедьев Ю.А., д-р физ.-мат. наук, проф., Рыхлова Л.В., д-р физ.-мат. наук, Шевченко В.В., д-р физ.-мат. наук, проф., Боровских В.С., канд. физ.-мат. наук, доц., Галеев А.И., канд. физ.-мат. наук, Демин С.А., ст. преподаватель, Панищев О.Ю., ст. преподаватель.

И 90 Естественнонаучная картина мира (Часть 3)/ науч. ред. Н.А.Сахибуллин. – Казань: Казан. фед. ун-т, 2012. – 266 с.

ISBN 978-5-98180-706-0

Настоящая монография-учебное пособие является третьей частью сборника «Естественнонаучная картина мира» и посвящена проблемам и задачам естественных наук и анализу основных составляющих современной естественнонаучной картины мира. Данная книга будет способствовать повышению интеллектуального потенциала студентов гуманитарных и социально-экономических специальностей высших учебных заведений, а также привлечет внимание широкой аудитории читателей к осознанию проблем современного естествознания.

Предназначена для всех, интересующихся историей и современным развитием естественных наук.

УДК 520/524 ББК 22.65

ISBN 978-5-98180-706-0 © Коллектив авторов, 2012 © Казанский федеральный

университет, 2012

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая работа является продолжением монографий-учебных пособий «Естественнонаучная картина мира. Часть 1 и Часть 2». Она посвящена новому предмету, который вводится в систему высшего образования – «Естественнонаучная картина мира». Основное назначение настоящей работы – содействие получению базового высшего образования, способствующего дальнейшему развитию личности. Книга предназначена для подготовки бакалавров, магистров и специалистов гуманитарных, в том числе социальноэкономических, специальностей высших учебных заведений. Монография-учебное пособие будет полезно всем, кто интересуется современной наукой, ее последними представлениями и достижениями и стремится расширить свой кругозор.

Напомним, что в первой части обсуждались специфика и эволюция естественнонаучного типа культуры, смена представлений о ключевых понятиях естествознания – материи, движении, взаимодействии. Были описаны общие и специфические свойства пространства и времени, раскрыта эволюция представлений о них от античности до современности. Введены основные понятия микро-, макро-, мегамира. Приведены принципы универсального эволюционизма и даны примеры самоорганизации в живой и неживой природе. Во второй части рассматривались вопросы, объеденные в рамках эволюционного естествознания. Были представлены ключевые концепции в областях космологии и космогонии, происхождения жизни и развития живых организмов, в том числе и человека, раскрыты методы исследования биологического эволюционизма и основные положения генетики. Давалась оценка воздействию человека на окружающую среду, приводились методы рационального природопользования и проблемы современной экологии.

В настоящей работе приведены научно-познавательные статьи, отражающие отдельные вопросы современного естествознания,

3

доступные для широкого круга читателей. Первая глава посвящена космосу и покорению его человеку. Раскрыты вопросы, связанные с астероидной опасностью, топонимикой, исследованиями космического пространства, гипотезами строения Вселенной. Следующая глава посвящена современной физике. Представлены основные достижения в области освоения управляемого термоядерного синтеза, теоретические и экспериментальные исследования сверхпроводимости, введение в нанотехнологии. Третья глава посвящена эволюции видов живых существ на Земле. В заключительной главе обсуждается природа световых явлений и фрактальная структура мира.

Авторский коллектив надеется, что данный труд будет способствовать формированию целостного мировоззрения, аналитического стиля мышления и повышению интеллектуального потенциала студентов гуманитарных и социально-экономических специальностей высших учебных заведений, а также привлечет внимание широкой аудитории читателей к осознанию проблем современного естествознания.

4

ГЛАВА 1

§ 1.1. ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

1.1.1. Что такое околоземное космическое пространство

По словам А.Л. Чижевского, «жизнь всей Земли, взятой в целом, с ее атмо-, гидро-, лито- и биосферой следует рассматривать как жизнь одного организма». Говоря современным языком, Земля представляет собой единую экосистему.

Термин «экосистема» был введен английским ботаником А. Тенсли в 1935 г. для обозначения «любого единства…, обозначающего относительно устойчивую систему динамического равновесия, в которой организмы и неорганические факторы являются полноправными компонентами».

Каждая экосистема сосуществует с окружающей средой. Для Земли окружающей средой является околоземное космическое пространство (ОКП). Поэтому все происходящие в ОКП процессы, так или иначе, влияют на экосистему «Земля».

Хорошо прижившийся в научной литературе термин «околоземное космическое пространство» не имеет строгого определения и в разных областях науки используется в привычных и приемлемых для данной области терминах. К примеру, в астрономии выделяют понятие сферы Хилла, ограничивающей ОКП той областью пространства, в которой могут двигаться тела, оставаясь спутниками планеты. Для Земли это расстояние равно 0.01 а.е., т.е.

5

приблизительно 1.5 млн. км. Существует понятие сферы тяготения – области пространства, внутри которой притяжение планеты превосходит солнечное тяготение. Для Земли эта область пространства ограничена расстоянием примерно в 0.002 а.е. или 0.26 млн. км.

Сгеофизической точки зрения ОКП – это несколько защитных оболочек Земли, предохраняющих ее от воздействия процессов, непрерывно происходящих в сложной системе «Солнце – межпланетная среда – Земля». Самая внешняя защитная оболочка Земли – это магнитосфера, образующаяся при взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли. Граница магнитосферы на обращенной к Солнцу стороне Земли располагается примерно на расстоянии 10 радиусов Земли (~ 60 000 км), а с ночной стороны Земли магнитосфера вытянута на миллионы километров, т.е. выходит далеко за орбиту Луны. При возмущенном состоянии магнитосферы на Земле отмечаются магнитные бури. С магнитосферой взаимодействует ионосфера. Это внешняя часть атмосферы. Атмосфера Земли не только рассеивает и поглощает инфракрасное и коротковолновое излучение Солнца, но и не пропускает значительную часть космического радиоизлучения, ослабляет поток высокоэнергичных частиц, идущих к Земле из космоса. Атмосфера защищает поверхность Земли и все живое на ней от негативного воздействия окружающей среды.

Сточки же зрения исследования космического пространства с научными целями и проектов промышленной космической

индустрии, ОКП – это несколько различных орбитальных режимов:

6

от высот пилотируемой космонавтики в 250-300 км до высот навигационных спутников и геостационарной орбиты ~ 36 000 км (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1: Пространственное распределение спутников по высотам орбит.

1.1.2. Конец XХ – начало XХI вв. – эпоха новых открытий в Солнечной системе

Двадцатый век стал переломным в характере взаимодействия природы и общества. Научно-техническая революция, бурное развитие производительных сил и одновременно столь же бурное развитие агрессивного характера общества потребления привело на рубеже XХ – XХI вв. к осознанию и формулированию целого ряда глобальных проблем, перед которыми оказалось человечество. Основные из них – это демографическая проблема с угрозами, порождаемыми перенаселением, миграцией и пр., экологическая проблема с ее многочисленными составляющими, проблема природных катастроф и техногенной безопасности, проблема истощения невозобновляемых ресурсов, межэтнические

7

противостояния, проблема организованной преступности, информационной безопасности, генетической безопасности, а также космические проблемы. Под глобальными проблемами человечества сегодня понимают всеобщие, имеющие планетарный масштаб угрозы и противоречия в жизни общества, в том числе существовавшие частично или в неявном виде ранее и проявившиеся на современном этапе развития земной цивилизации в ходе процессов деятельности людей, а также в результате получения человечеством новых знаний.

Новые знания, полученные человечеством на рубеже веков в исследовании Солнечной системы, потрясают воображение. Этому способствовало:

-появление современных наземных оптических телескопов с диаметром зеркала 2 и более метров, целенаправленно исследующих Солнечную систему;

-появление принципиально новых приемников излучения на основе сверхчувствительных ПЗС-камер – матричных приемников излучения с зарядовой связью, обладающих высокой квантовой эффективностью и при определенных условиях дающих возможность получать изображения точечных источников излучения до 24 звездной величины на телескопах с диаметром зеркала 2 м;

-появление быстродействующих компьютеров и возможность быстрого сравнения наблюдений с более ранними изображениями исследуемой области неба с целью выделения перемещающихся на фоне звезд объектов;

8

- накопленные банки данных в компьютерных информационных центрах, возможность быстрого сравнения данных при поиске новых объектов;

и наконец, многочисленные космические аппараты (КА), обследовавшие планеты, астероиды и кометы Солнечной системы.

Что мы узнали нового?

У планет Солнечной системы было открыто много неизвестных ранее спутников: у Юпитера их оказалось не 17, а 63, у Сатурна не 17, а 60, Уран удерживает не 5, а 27 спутников, Нептун – не 2, а 13. Вполне возможно, что будут найдены спутники у Меркурия и Венеры.

Пояс Койпера, существование которого за орбитой Нептуна на расстоянии 35-40 а.е. от Солнца, было предсказано Эджворсом и Койпером в 1949 и 1951 гг., стал изучаемым объектом. В конце 1992 г. за орбитой Нептуна был обнаружен объект диаметром около 280 км, а к 2001 г. было открыто уже более 300 транснептунных объектов. Некоторые из них по орбитальным характеристикам и размерам близки к Плутону. По этой причине была выделена группа планеткарликов, и бывшая планета Плутон стала одной из них. По решению МАС (Международного астрономического союза) в 2006 г. все остальные тела Солнечной системы (астероиды, кометы, метеороиды) стали называть малыми телами Солнечной системы.

9

Рис. 1.2: Размеры карликовых планет относительно Плутона.

Таким образом, из классических 9 планет Солнечной системы осталось только восемь: 4 планеты типа Земля и 4 планеты-гиганты.

По современным оценкам в поясе Койпера может находиться около 70 000-100 000 тел, размером более 100 км. У некоторых из них (Плутон, Эрида, Хаумеа) открыты спутники.

В Главном поясе астероидов (орбиты которых лежат между орбитами Марса и Юпитера) еще недавно насчитывали тысячи астероидов, сегодня известно о сотнях тысяч объектов.

За весь ХIХ в. было открыто (на фотографических пластинках, отображавших одну и ту же площадку звездного неба в разнесенные по времени эпохи) около 500 астероидов. За ХХ в. – 5 000 астероидов. В ХХI в. каждую ночь открывают по несколько сотен новых астероидов. Размеры вновь открываемых астероидов уже не сотни и даже не единицы километров (они практически все уже занесены в каталоги). Проблема состоит в обнаружении более слабых астероидов, диаметром в десятки и сотни метров.

10