Иерархия объектов в природе

Природа – сфинкс.

И тем она верней

Своим искусом губит человека,

Что может статься,

ни какой от века

Загадки нет и не было у ней.

Ф.И. Тютчев.

В результате многовекового изучения человеком окружающего мира объекты природы можно расположить на ступенях разных иерархических лестниц в зависимости от их размеров, массы, каких-либо свойств (механических, электрических и др.) или уровня сложности их организации. Ступени одной из таких лестниц можно представить следующим образом: элементарные частицы – ядра- атомы – молекулы – макротела (газы, жидкости, кристаллы, плазма) – планеты – звезды – галактики – Вселенная.

Элементарные частицы. Элементарными частицами называют такие частицы, которым нельзя приписать внутренней структуры, являющейся простым соединением, других стабильных частиц.

Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся свойствами и типом взаимодействия друг с другом. По массе покоя различают лептоны (легкие частицы), мезоны (средние частицы) и барионы (тяжелые частицы).

По наличию электрического заряда, кратного заряду электрона, различают положительные, отрицательные и нейтральные частицы. Теоретически предсказаны частицы с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни в свободном состоянии элементарные частицы подразделяют на стабильные и нестабильные.

Стабильными, то есть живущими в свободном состоянии неограниченно долго, частицами являются протон, электрон и, по-видимому, нейтрино всех типов. Среди нестабильных части самым долгоживущим является нейтрон, его время жизни около 10³ с. Время жизни остальных частиц лежит в интервале от 10^-6 с до 10^-19 с.

Массы стабильных элементарных частиц распределяются следующим образом: у электрона , у протона , таким образом, протон почти в 2000 раз массивнее электрона. Масса, долгоживущего нейтрона примерно равна массе протона.

Протон и нейтрон имеют сложное строение: они состоят из истинно элементарных частиц – кварков. В свободном состоянии кварки до сих пор не наблюдались, и есть теоретические соображения, которые указывают на невозможность свободного состояния кварков. Сейчас предполагается существование шести типов кварков.

Семейство лептонов состоят из шести частиц: электрон – , мюон - , тау-лептон - и соответствующие им нейтрино, электронное нейтрино - , мюонное нейтрино - и тау-нейтрино - .

Лептоны, как и кварки, рассматриваются как бесструктурные, точечные частицы, в то время как протон и нейтрон можно рассматривать как «шарики» радиусом .Почти все элементарные частицы обладают электрическим зарядом, положительным или отрицательным, по величине равным заряду электрона ( ). Частицы с дробным электрическим зарядом не наблюдались, но кваркам приписывают электрический заряд по величине кратной 1/3 .

Большинству элементарных частиц соответствуют их античастицы. Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны по величине, но противоположны по знаку.

Частицы и их античастицы еще характеризуются целым набором специфических «внутренних» свойств и соответствующих величин, но их значения отличаются только знаком. Самым характерным свойством пары частицы – античастицы является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода и выделением энергии не меньшей, чем удвоенная энергия покоя каждой из них. Процесс соединения электрона и позитрона, в большинстве случаев, происходит с образованием двух гамма-квантов: . Каждый гамма-квант уносит энергию , ( - масса покоя электрона, - скорость света, 1 эв (электрон-вольт) = 1,6·10 Дж.).

Образование пары «частица-античастица» требует затраты энергии большей чем удвоенная энергия покоя частицы. Процесс возникновения электрон-позитронной пары происходит при столкновении жесткого гамма-кванта с какой-либо заряженной частицей, например, с атомным ядром или электроном. При этом энергия жесткого гамма-кванта должна быть больше удвоенной энергии покоя электрона, т.е: > >1,22 МэВ.

К настоящему времени экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц. Античастицы могут собираться в антивещество. В институте физики высоких энергий был получен антигелий-3. У атома антигелия-3 ядро состоит из двух антипротонов и одного антинейтрона, это ядро окружено оболочкой из двух позитронов. Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами по Вселенной до сих пор не обнаружено заметного количество антивещества.

Ядра, атомы, молекулы. Протоны и нейтроны, сблизившись на расстояние , притягиваются друг к другу и образуют связанные системы – ядра. Массы ядер всегда меньше суммы масс свободных нуклонов. (Нуклонами, или ядерными частицами, называют протон и нейтрон). Эта разность масс (дефект массы ядер) определяет энергию связи ядра. Простейшим ядром может быть один протон. Известные ядра, существующие в природе, содержат от одного до 92 протонов, нуклонов всего от одного до, примерно, 240. Искусственно получены ядра с числом протонов от 93 до 118 и с числом нуклонов до 280.

Электрические заряды ядер равны сумме зарядов, входящих в ядро протонов.

В основном энергетическом состоянии ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными. Особенно устойчивыми ядрами, т.е. обладающими наибольшей энергией связи, являются ядра с числом протонов или нейтронов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Время, за которое из любого макроскопического числа нестабильных ядер распадается половина, называют периодом полураспада Т. Периоды полураспада известных элементов имеют значения в пределах от 10¹⁸ лет до 10^-10 с. Например, период полураспада урана U равен 4,5 10⁹ лет, период полураспада углерода C – 5770 лет.

Среди астрофизических объектов обнаружены нейтронные звезды, являющиеся как бы огромными атомными ядрами, состоящими в основном из нейтронов. Равновесие нейтронной звезды поддерживается гравитационными силами. Могут ли существовать многонейтронные ядра в микромире пока неясно.

Ядра имеют положительный заряд, поэтому могут захватывать отрицательно заряженные электроны и образовывать нейтральные частица – атомы. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов.

Согласно планетарной модели строения атома, предложенной Э.Резерфордом в 1911 году, атом – это нейтральная частица с массивным, положительно-заряженным ядром. Ядро окружено весьма рыхлой, ажурной оболочкой электронов. Если радиус ядра 10^-14м, то радиус атома водорода, примерно 10^-10м. То есть, если изобразить ядро атома водорода (протона) в виде кружочка радиусом 2,5 мм (диаметром 5 мм), то электрон в таком атоме надо будет изобразить точкой на расстоянии 110 м.

Электроны, «заполняющие» пространство вокруг ядра подчиняются строгим правилам «заполнения». Наиболее удаленные электроны определяют способность атомов вступать в соединения с другими атомами. Все химические и физические свойства атома определяются особенностями его строения. Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь атомов возможна в том случае, если совместный «верхний этаж» объединяющихся атомов целиком заполнен электронами. Такое образование атомов называют молекулой. Молекула – это наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Все молекулы в природе можно разделить на две группы: органические и неорганические.

Животный и растительный мир образован соединениями углерода (С) с водородом (Н), кислородом (О), азотом (N) и некоторыми другими атомами. Эти молекулы назвали органическими. Сейчас известно более 3,5 10⁶ органических соединений, в то время как соединения всех остальных элементов немногим более 10⁵.

Наиболее общие характеристики молекулы – масса молекулы, состав и структурная формула, указывающая последовательность химических связей. Прочность межатомной связи характеризуется энергией связи, которая составляет порядка несколько электрон-вольт на одну связь у наиболее прочных молекул.

Простейшими из органических молекул являются углеводороды, состоящие только из атомов углерода (С) и водорода (Н). Возможны тысячи комбинаций С и Н, находящиеся в газообразном, твердом и жидком состояниях. Простейшим углеводородом является метан СН₄. В пространстве молекулы углеводородов могут образовывать длинные линейные цепи, при возникновении двойной связи между атомами С возникают циклические соединения, возможно объединение двух и более колец.

Сложные органические соединения содержат кроме С и Н другие элементы. Например, молекулы лимонной кислоты и спиртов содержат еще кислород О, а в молекуле никотина кроме С и Н входят атомы азота N.

Многие молекулы в живой природе чрезвычайно сложны. В последние годы достигнуты большие успехи в определении состава структуры и функций этих молекул. В частности, многое стало известно о структуре белковых молекул, молекуле ДНК, несущей генетическую информацию, хотя эта молекула содержит до миллиона атомов.

Макротела. При определенных условиях атомы или молекулы могут собираться в огромные совокупности – макроскопические тела (вещество). При достаточно низких температурах все тела являются кристаллическими. Исключение составляют гелий-4 и гелий-3 (Не⁴ и Не³), которые остаются жидкими вплоть до 0 К при давлении меньше 25 атм. В кристаллах взаимное расположение атомов является правильным. Движение атомов в кристалле сводится к колебаниям около равновесных положений - узлов кристаллической решетки. Геометрия кристаллического состояния вещества при обычных температурах и давлениях отличаются необычайным разнообразием, хотя число типов решеток ограничено. Свойства кристаллического вещества определяются не только характером атомов, числом их в элементарной ячейке, но и их взаимным расположением. Например, алмаз и графит – вещества, состоящие из одних и тех же атомов углерода, но имеющие различные кристаллические решетки.

При значительном повышении температуры происходит плавление кристаллов - фазовый переход от кристалла к жидкости. Для каждого кристалла своя строго определяемая температура плавления. В жидком состоянии атомы вещества не имеют строго определенного положения равновесия, то есть не являются локализованными. Тепловое движение атомов в жидкостях имеет довольно сложный характер; часть времени атомы (или молекулы) движутся хаотически, а часть времени - образуют небольшие квазикристаллические образования и совершают колебания около временных положений равновесия.

При нагревании жидкости происходит ее испарение, фазовый переход от жидкости к газу. В газах, по существу, отсутствует взаимодействие атомов, поэтому газы всех веществ с хорошей точностью подчиняются одним закономерностям, а частицы в газах движутся хаотически.

Дальнейшее нагревание газа до температуры 10⁴-10⁵ К ведет к ионизации атомов, то есть, газ превращается в совокупность электронов и ионов. Такое состояние вещества называют плазменным.

Планеты. Следующей ступенью иерархической лестницы объектов природы являются макротела астрономического масштаба – планеты. Планетами называют тела, вращающиеся вокруг Солнца. Различают большие планеты, и малые. Больших планет всего 8 – это Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Малых планет – астероидов, очень много, только тех, размеры которых поперечном сечении превосходят 1 км, насчитываются более тысячи.

Большие планеты со своими спутниками, астероиды, метеорные тела, кометы, образуют Солнечную систему. Большие планеты, в свою очередь, можно разделить на две группы разительно отличающиеся одна от другой. Планеты земной группы Меркурий, Венера, Земля и Марс твердую поверхность, на которую может совершить посадку космический корабль. Планеты – гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун на 99% состоят из замерзших газов и не имеют твердой поверхности. Химический состав планет – гигантов близок к химическому составу звезд, в то время как планеты земной группы состоят из большого количества кремния, кальция, окислов металлов (железа, никеля, меди, алюминия и др.).

Физические условия на Меркурии, Венере и Марсе (температура, незащищенность от жесткого космического и солнечного гамма-излучений), отсутствие свободной воды, а также, химический состав атмосферы, давление атмосферы и другие факторы делают вероятность образования сложных молекулярных соединений чрезвычайно малой.

Все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении и практически в одной плоскости. Если посмотреть на Солнечную систему «сверху», то с северного полюса системы она вращается против часовой стрелки. В таком же направлении вращаются вокруг своей оси все большие планеты, кроме Венеры и Урана. Венера медленно вращается по часовой стрелке вокруг своей оси, а ось вращения Урана лежит в плоскости его вращения вокруг Солнца.

Земля удалена от центра Солнца примерно на 150 млн.км. Это расстояние называют астрономической единицей (1а.е.). «Радиус» Солнечной системы составляет около 40 а.е.

Планет, видимых невооруженным глазом на небосводе всего пять, это Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. Меркурий и Венеру можно наблюдать только в течение короткого времени перед восходом Солнца и после его захода.

Звезды. Видимые в ночном небе звезды – это массивные раскаленные сферические тела. Солнце, ближайшая к нам звезда, «Наша звезда», - огненный шар, раскаленный внутри до 15 млн.градусов, радиусом почти 700 тыс. км., и имеет массу кг и температуру на поверхности около 6000°С. Наше Солнце является средней по массе звездой. Очень мало звезд, массы которых больше или меньше солнечной в 10 раз.

Радиусы звезд меняются в очень широких пределах. Есть звезды, «белые карлики», по своим размерам не превышают земной шар, есть огромные «пузыри», внутри которых могла бы поместиться орбита Марса ( млн.км.).

Так как по массе звезды различаются незначительно, то плотность вещества гигантских звезд ничтожно мала. Если плотности солнечного вещества 1,4 г/см³, то у звезд-гигантов в миллионы раз меньше, чем у атмосферного воздуха. В то же время белые карлики имеют плотность более 10⁵г/см³.

По химическому составу звезды представляют собой водородные и гелиевые плазмы. Средний химический состав наружных слоев звезд выглядит примерно следующим образом: 90% частиц вещества звезды – это водород (точнее, ядра атома водорода – протоны), около 10% - гелий (ядра атома гелия), 0,05% - ионы кислорода, 0,02% - ионы азота, 0,01% ионов углерода, 0,003% ионов железа. Относительное содержание других элементов еще меньше. Хотя по числу частиц «тяжелые элементы» (то есть элементы с атомной массой большей, чем у гелия) занимают во Вселенной весьма скромное место, их роль очень велика. Они в значительной степени определяют характер эволюции звезды и наличие их во Вселенной имеет решающее значение для возникновения и эволюции жизни. Совершенно очевидно, что живые организмы могут быть построены только при наличии тяжелых элементов и их соединений – углерода, азота, фосфора, железа и др. Царство живого – это сложнейшие соединения тяжелых элементов.

Таким образом, наша планета Земля вместе с восемью другими большими планетами и множеством мелких тел, обращающиеся вокруг Солнца, образуют Солнечную систему. Солнце представляет собой типичную звезду, и остальные звезды, которые мы видим на ночном небе – почти те же Солнца, возможно, также имеющие планетные системы. Но других планетных систем, кроме нашей, науке достоверно не известно.

Галактики. Вселенная. В пространстве звезды распределены не случайным образом, а собраны силами гравитации в гигантские структуры, которые называют галактиками. Широкая светлая полоса на небе известна как Млечный путь, при наблюдении в телескоп оказывается скоплением звезд, газа и пыли; это наиболее яркая часть нашей Галактики. Млечный путь кажется светлой полосой, поскольку наша Галактика «при виде сбоку» напоминает по форме диск. Наибольшее количество звезд в ней сосредоточено в плоскости диска.

Солнечная система S расположена от центра диска примерно на 30 тыс. световых лет. (1световой год – это расстояние, которое свет проходит за один земной год. 1 св.г. 9,5 км).

Галактика не имеет резкого края; вся эта структура окружена далеко простирающимся гало из звезд. Радиус нашей Галактики составляет примерно 10⁵ световых лет, а число звезд в ней не менее 10¹¹.

Звездная плотность в Галактике весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра, где число звезд в единицу объема в десятки тысяч раз больше, чем в окрестностях Солнца. Кроме того, звезды могут образовывать группы или скопления. Хорошим примером такого скопления являются Плеяды, которые хорошо видны на зимнем небе.

Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего, они участвуют во вращении Галактики вокруг оси перпендикулярно ее экваториальной плоскости. Вращение Галактики это не вращение твердого тела: различные участки ее имеют разные периоды вращения.

Солнце и окружающие его звезды в области нескольких сот световых леи совершают полный оборот вокруг оси Галактики за время 200-220 млн. лет. Скорость движения Солнца и соседних с ним звезд по их почти круговым галактическим орбитам достигает 250 км/с. Кроме этого регулярного движения вокруг галактического ядра звезды совершают хаотические движения со скоростью 10-50 км/с.

Звезды в Галактике удалены друг от друга на огромные расстояния и поэтому практически не взаимодействуют между собой, и значит, звезды почти никогда не сталкиваются. В той части Галактики, где находится Солнечная система, расстояние между звездами составляет несколько световых лет. Например, звезда Проксима из созвездия Центавра удалена от нас на расстояние 4,2 светового года, а двойная звезда Сириус из созвездия Большого Пса на расстояние 3,92 световых года.

Наша звездная система, Млечный путь, является малой частицей грандиозной совокупности галактик, движущихся в огромных пространствах наблюдаемой нами части Вселенной. Ближайшие к нашей Галактике галактики – Магеллановы Облака, хорошо видны на небе южного полушария как два больших пятна примерно такой же яркости, как и Млечный путь. Расстояние до этих галактик всего лишь 200 тыс. световых лет. Другая «близкая» к нам галактика – это туманность в созвездии Андромеды, единственная Галактика, которую можно увидеть невооруженным глазом на небе северного полушария как слабое световое пятнышко. На самом деле это огромный звездный мир, содержащий почти в три раза больше звезд, находящихся в нашей Галактике. Расстояние до туманности Андромеды равно примерно 2,2 млн. световых лет. Галактика туманность Андромеды имеет ярко выраженную спиральную структуру и по многим характеристикам напоминает нашу Галактику. Рядом с ней находятся ее небольшие спутники эллипсоидальной формы. Галактики во вселенной имеют самую различную форму. Наряду со спиральными системами встречаются сферические (шарообразные); эллиптические, лишенные спиральной структуры, а также «неправильные» галактики (Магеллановы Облака).

Современные телескопы, расположенные на Земле и в космосе позволяют наблюдать огромное количество галактик. В каталоге Месье уже зарегистрировано 220 тыс. галактик. Галактика туманность Андромеды занесена в каталог Месье под №31. Наблюдаемые галактики в пространстве на расстоянии примерно 13 млрд. световых лет от нас. В 2004 году появилось сообщение, что получена фотография галактики удаленной от нас на расстояние 13.5 млрд. световых лет. Галактики являются крупнейшими структурными единицами, образующими единое цело – Вселенную.

Галактики не распределены во Вселенной с постоянной плотностью, т.е., равномерно. Они обнаруживают тенденцию образовывать отдельные группы или скопления. Группа примерно из 20 галактик близких к нам (включая нашу) Галактику образует так называемую «местную» группу. Известно скопление в созвездии Северной Короны насчитывающие сотни галактик. В пространстве скоплениями галактик, иногда на расстоянии в 500 млн. световых лет, плотность галактик в десятки раз меньше , чем внутри скоплений.

Известная нам часть Вселенной содержит галактик порядка 10¹¹. если масса звезды порядка 10³⁰, то масса одной галактики, в среднем получится порядка 10⁴¹ кг., а масса вещества в видимой части Вселенной будет порядка 10⁵³ кг. Общее число протонов и нейтронов будет порядка 10⁸⁰.

Внимательное изучение спектров излучения галактик позволило сделать вывод о расширении Вселенной, «разбегании» галактик. Расширение Вселенной нельзя представлять как разлетающиеся галактики от общего центра в разные стороны. Вселенная не расширяется куда – то, а просто увеличивается в размере и расстояние между галактиками увеличивается.

Но если Вселенная расширяется сейчас, то в прошлом она должна была находиться в сжатом состоянии, и, экстраполируя процесс назад во времени, можно придти к тому, что 15-18 млрд. лет назад материя имела невероятно большую плотность и высокую температуру. В этом суть теории Большого Взрыва, согласно которой нынешняя Вселенная возникла в результате быстрого расширения. Большой взрыв произошел не в пространстве, не во Вселенной, а это было событие, в результате которого возникла Вселенная, возникло пространство и начало отсчета времени. Другими словами, Большой Взрыв означает факт рождения физического мира, а пространство и время возникли в момент Большого Взрыва, вместе с появлением материального мира. Что было до этого момента предстоит узнать будущим поколениям человечества.