Содержание 
 

 

1. Задача

 

      Оценить расстояние до галактики, если красное смещение линии Ha водорода (длина волны l=656 нм) составляет 10 нм. Принять постоянную Хаббла Н=75 км с-1/Мпк. 
 

      Решение:

      Н =75 км×с^-1/Мпс

      Dl =10 нм

      l = 656      

      Определить: R

      При удалении галактики со скоростью V согласно эффекту Доплера для смещения Dl в красную сторону (в сторону удлинения длины волны)  линии   излучения l  справедливо соотношение (при небольшом удалении):

      Dl/l = V/c

      где c - скорость света.

      Отсюда  скорость удаления галактики равна:

      V = c ×Dl/l

      Вычислим  скорость, чтобы узнать скорость удаления:

      V = 3×10⁸×10/656 =0.046×10⁸ м/с =46×10⁵ м/c =4600 км/с

      По  закону Хаббла скорость удаления пропорциональна  расстоянию до галактики:

      V = H R

      Примем  постоянную Хаббла Н = 75 км×с^-1/Мпс

      Расстояние  до галактики будет:

      R = V/H = 4600/75 = 61,3 Мпс

      Учтем, что 1 парсек = 3.26 световых года, а 1 Мпс =10⁶ пс. Тогда

      R =199,838×10⁶ cв. лет

      Ответ: галактика удалена на 199,838 млн. световых лет.

2. Планеты Солнечной системы

 

     Солнечная система состоит из самого Солнца, девяти больших планет с их спутниками, более ста тысяч малых планет (астероидов), огромного числа комет (по некоторым данным, их более 100 млрд), бесчисленного количества мелких метеорных тел, межпланетных пыли и газа (рис.1). Происхождение, эволюция, законы движения всех тел, входящих в Солнечную систему, полностью определяются центральным телом — Солнцем. Точно определить границу Солнечной системы невозможно, но большинство исследователей проводит ее на расстоянии 100 тыс. а. е. от Солнца. Многие данные говорят о том, что у других звезд тоже есть планетные системы, но точно доказать существование хотя бы одной из них пока не удается.¹

     Основная  масса вещества Солнечной системы (исключая само Солнце) содержится в девяти больших планетах. Плоскости орбит планет наклонены друг к другу под небольшими углами. Небольшие углы они составляют и с плоскостью солнечного экватора. Вращение Солнца вокруг своей оси и обращение планет вокруг него происходит в одном направлении. Расстояния между орбитами планет возрастают по мере удаления от Солнца.

Рис. 1. Схема строения Солнечной системы. 

     Малые планеты, или астероиды, имеют диаметр  от 1 до 1000 км. Их общая масса, несмотря на огромное их число, не превышает 1/100 массы Земли. Орбиты большинства  астероидов расположены между орбитами Марса и Юпитера. Однако есть астероиды, которые обращаются вокруг Солнца по очень вытянутым орбитам. Так, Гидальго может удаляться от Солнца за пределы орбиты Сатурна, а Икар заходить внутрь орбиты Меркурия. Некоторые астероиды могут сближаться с Землей. Например, в 1973 г. Икар приблизился к Земле на расстояние 7 млн км. Хотя известны случаи, что некоторые небольшие астероиды заходили внутрь орбиты Луны, столкновение Земли с астероидом настолько маловероятно, что может происходить не чаще, чем один раз за сотни миллионов лет. В настоящее время неизвестно ни одного астероида, столкновение с которым может произойти в сколько-нибудь обозримое время.

     Метеорные тела диаметром от долей миллиметра до нескольких километров и межпланетная пыль (частички, размеры которых не превышают сотен микрометров) заполняют практически все пространство Солнечной системы. Метеорные тела и пыль образуются при распаде комет, при столкновениях с астероидами. Скорость метеорного тела уменьшается, и оно постепенно приближается к Солнцу.

     По  своим характеристикам (размерам, массам, скорости вращения вокруг оси, химическому составу планет и их атмосфер) планеты делятся на две большие группы: группу планет типа Земли и группу планет типа Юпитера. Эти группы как бы разделены «поясом астероидов». К первой группе относятся четыре ближайшие к Солнцу планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и Луна, так как ее характеристики близки к характеристикам планет этой группы, хотя она и является спутником Земли. Все планеты группы Земли обладают сравнительно небольшими массами и размерами, но представляют собой весьма плотные тела.²

     Члены этой группы либо полностью (Луна, Меркурий) лишены атмосферы, либо имеют малопротяженную и не очень плотную атмосферу, масса которой составляет лишь ничтожную долю массы планеты. Основным химическим соединением в этих атмосферах является углекислый газ (Венера, первичная атмосфера Земли, Марс). Все планеты этой группы обладают сходным строением. Лучше всего исследовано строение Земли. По современным представлениям, в центре планеты располагается внутреннее ядро (субъядро) радиусом около 1300 км. Внутреннее ядро окружено жидкой оболочкой толщиной около 2100 км. Внутреннее ядро и оболочка составляют ядро Земли. Выше ядра расположена мантия толщиной около 2900 км, а еще выше — кора, имеющая толщину 4—10 км под океаном и 40—80 км под материками. Только у двух планет этой группы имеются естественные спутники: у Земли—один (Луна), у Марса—два (Фобос и Деймос).

     Особый  интерес для нас представляет вопрос о возникновении планет. Первые теории происхождения солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П.С. Лапласом. Их теории вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта — Далласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга.

     И. Кант выдвинул гипотезу, согласно которой  перед образованием планет Солнечной системы пространство, где теперь она существует, было заполнено рассеянной материей, находившейся во вращательном движении вокруг уже возникшего в виде центрального сгущения Солнца. С течением времени вследствие притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности) возникли планеты. И. Кант впервые выдвинул предположение, что Солнечная система не существовала вечно. Процесс ее возникновения он связывал с существованием сил взаимодействия, присущих частицам туманности. При этом гипотеза И. Канта не противоречила наблюдаемому расположению орбит планет Солнечной системы приблизительно в одной плоскости и существованию спутников.

     Приблизительно  через 50 лет после этого П.С. Лаплас выдвинул свою гипотезу, во многом сходную с предположением И. Канта. Космогоническая гипотеза П.С. Далласа основывалась на том, что Солнечная система образовалась из уже вращающейся газовой туманности. По теории И. Канта, Солнечная система также возникла из газовой туманности, но она не имела предварительного вращения. В этом случае появлялась непреодолимая трудность: невозможно было объяснить, как могло образоваться правильное вращательное движение небесных тел. Гипотеза П.С. Далласа получила широкое признание в первой половине ХIХ в., но потом оказалось, что ряд фактов не укладывается в ее рамки. ³

     Началом следующего этапа в развитии взглядов на образование Солнечной системы  послужила гипотеза английского  физика и астрофизика Дж. X. Джинса. Он предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным. Более детальный анализ выявил и другие недостатки этой теории.

     Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом. Считается вероятным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы.

     Теории  происхождения Солнечной системы  носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.

3. Происхождение жизни на Земле

 

    Возникновение и эволюция биологических систем — исходная тема биологии. Вокруг нее концентрируются все другие частнонаучные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы.

    В соответствии с двумя основными  мировоззренческими позициями —  материалистической и идеалистической — еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Сторонники концепции происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позже эта позиция была конкретизирована в идее самозарождения жизни. Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль, опыты, призванные подтвердить ее, предоставили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.⁴

    В XIX в. была также выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер высказал предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую. В 1907 г. шведский ученый С. Аррениус выдвинул схожую гипотезу, согласно которой зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планеты, дают начало жизни. Эта гипотеза получила название панспермии. В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый В.И. Вернадский.

    В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции — абиогенез. Абиогенная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического происхождения на Земле. Понятно, что воспроизвести процессы, происходившие в момент зарождения жизни, невозможно, поэтому любые заключения по этому вопросу и любые интерпретации этой темы основаны на методе моделирования.

    Первый  этап возникновения  живого связан с химической эволюцией. После возникновения Земля представляла собой раскаленный шар. Постепенное остывание планеты способствовало тому, что тяжелые химические элементы перемещались к ее центру, а легкие постепенно скапливались на поверхности. Легкие элементы — кислород, углерод, азот и водород — стали взаимодействовать друг с другом, и в ходе дальнейшей химической эволюции появились различные органические соединения. Земная жизнь имеет углеродную основу, чему способствуют особые физические свойства этого химического элемента. Так, углерод способен создавать самые разнообразные структуры, число возможных органических соединений на основе углерода составляет десятки миллионов. Соединения углерода активны при невысокой температуре, даже при небольшой перестройке молекул их химическая активность может существенно меняться. Соединения углерода с водородом, азотом, кислородом, серой, железом и т.п. обладают высокими каталитическими свойствами. Кроме того, многие углеродные соединения хорошо растворяются в воде. Тем не менее ученые не исключают возможности возникновения жизни и на иной, например, кремниевой основе.

    По  мере остывания земной поверхности происходило сгущение водяных паров, что впоследствии привело к образованию огромных водоемов. Результатом активной вулканической деятельности на первых этапах эволюции нашей планеты стал выброс "на ее поверхность различных карбидов.— соединений углерода с металлами. Карбиды смывались в первичный океан, где вступали во взаимодействие с водой. В результате этих химических реакций образовались различные углеводородные соединения.

    Второй  этап возникновения  живого связан с появлением белковых веществ. Присутствие в водах первичного океана большого числа углеродных соединений привело к возникновению концентрированного «органического бульона», в котором осуществлялся дальнейший процесс синтеза сложных органических молекул — белков и нуклеиновых кислот — из достаточно простых углеродных соединений.