Открытие реликтового излучения

1. Открытие реликтового излучения

 «Реликтовое излучение, космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно чёрного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см3. Радиоастрономы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение «космическим микроволновым фоновым излучением» (М. ф. и.). Астрофизики-теоретики часто называют его «реликтовым излучением» (термин предложен русским астрофизиком И.С. Шкловским), поскольку в рамках общепринятой сегодня теории горячей Вселенной это излучение возникло на раннем этапе расширения нашего мира, когда его вещество было практически однородным и очень горячим. Далее мы будем называть это излучение «реликтовым». Открытие в 1965 реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания 20 века и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несёт нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней ещё не существовало ни планет, ни звёзд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосферных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого рождения Вселенной».[1] 
Открытие реликтового излучения 
   «В 1960 в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приёма радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 для работы со спутником эта антенна была ужё не нужна, и радиофизики Роберт Вудро Уилсон (р. 1936) и Арно Элан Пензиас (р. 1933) из лаборатории компании «Белл телефон» решили использовать её для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупор. Вместе с новейшим приёмным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих из космоса. 
        В первую очередь предполагалось провести измерения радиоизлучения межзвёздной среды нашей Галактики на волне длиной 7,35 см. Арно Пензиас и Роберт Уилсон не знали о теории горячей Вселенной и не собирались искать реликтовое излучение. Для точного измерения радиоизлучения Галактики необходимо было учесть все возможные помехи, вызываемые излучением земной атмосферы и поверхности Земли, а также помехи, возникающие в антенне, электрических цепях и приемниках. Предварительные испытания приемной системы показали несколько больший шум, чем ожидалось по расчётам, но казалось правдоподобным, что это связано с небольшим избытком шума в усилительных цепях. Чтобы избавиться от этих проблем, Пензиас и Уилсон использовали устройство, известное как «холодная нагрузка»: сигнал, приходящий от антенны, сравнивается с сигналом от искусственного источника, охлажденного жидким гелием при температуре около четырех градусов выше абсолютного нуля (4 K). В обоих случаях электрический шум в усилительных цепях должен быть одинаков, и поэтому полученная при сравнении разница дает мощность сигнала, идущего от антенны. Этот сигнал содержит вклады только от антенного устройства, земной атмосферы и астрономического источника радиоволн, попадающего в поле зрения антенны. Пензиас и Уилсон ожидали, что антенное устройство будет давать очень небольшой электрический шум. Однако, чтобы проверить это предположение, они начали свои наблюдения на сравнительно коротких волнах длиной 7,35 см, на которых радиошум от Галактики должен быть пренебрежимо мал. Естественно, некоторый радиошум ожидался на такой длине волны и от земной атмосферы, но этот шум должен был иметь характерную зависимость от направления: он должен быть пропорционален толщине атмосферы в том направлении, в каком смотрит антенна: немного меньше в направлении зенита, чуть больше в направлении горизонта». [2]Ожидалось, что после вычитания атмосферного члена с характерной зависимостью от направления не останется никакого существенного сигнала от антенны и это подтвердит, что электрический шум, производимый антенным устройством, пренебрежимо мал. После этого можно будет начать изучение самой Галактики на больших длинах волн – около 21 см, где излучение Млечного Пути имеет вполне заметное значение. 
         К своему удивлению, Пензиас и Уилсон обнаружили весной 1964, что они принимают на длине волн 7,35 см довольно заметное количество микроволнового шума, не зависящего от направления. Они нашли, что этот «статический фон» не меняется в зависимости времени суток, а позднее обнаружили, что он не зависит и от времени года. Следовательно, это не могло быть излучением Галактики, ибо в этом случае его интенсивность менялась бы в зависимости от того, смотрит антенна вдоль плоскости Млечного Пути или поперек. К тому же, если бы это было излучением нашей Галактики, то большая спиральная галактика М 31 в Андромеде, во многих отношениях похожая на нашу, тоже должна была бы сильно излучать на волне 7,35 см, а этого не наблюдалось. Отсутствие каких-либо вариаций наблюдаемого микроволнового шума с направлением весьма серьезно указывало на то, что эти радиоволны, если они действительно существуют, приходят не от Млечного Пути, а от значительно большего объёма Вселенной. Исследователям было ясно, что необходимо снова проверить, не может ли сама антенна производить больше электрического шума, чем ожидалось. В частности, было известно, что в рупоре антенны угнездилась пара голубей. Они были пойманы, отправлены по почте на принадлежащий компании «Белл» участок в Виппани, выпущены на волю, вновь обнаружены несколькими днями спустя на своем месте в антенне, снова пойманы и наконец утихомирены более решительными средствами. Однако во время аренды помещения голуби покрыли внутренность антенны тем, что Пензиас назвал «белым диэлектрическим веществом», которое при комнатной температуре могло быть источником электрического шума. В начале 1965 был демонтирован рупор антенны и вычищена вся грязь, однако это, как и все другие ухищрения, дало очень малое уменьшение наблюдаемого уровня шума. 
         Когда все источники помех были тщательно проанализированы и учтены, Пензиас и Уилсон вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причем со всех сторон с одинаковой интенсивностью.[3] «Оказалось, что пространство излучает так, как будто бы оно нагрето до температуры 3,5 кельвина (точнее, достигнутая точность позволяла заключить, что «температура космоса» от 2,5 до 4,5 кельвина). Необходимо заметить, что это очень тонкий экспериментальный результат: например, если перед рупором антенны расположить брикет мороженого, то он сиял бы в радиодиапазоне, в 22 млн. раз более ярком, чем соответствующей участок неба. Обдумывая неожиданный результат своих наблюдений, Пензиас и Уилсон не торопились с публикацией. Но события развивались уже помимо их воли. Случилось так, что Пензиас позвонил по совершенно другому поводу своему приятелю Бернарду Берку из Массачусетского технологического института».[4] «Незадолго до этого Берк слышал от своего коллеги Кена Тернера из Института Карнеги о докладе, который тот, в свою очередь, слышал в Университете Джонса Хопкинса, сделаланном теоретиком из Принстона Филом Пиблслом, работавшим под руководством Роберта Дикке. В этом докладе Пиблс приводил аргументы в пользу того, что должен существовать фоновый радиошум, оставшийся от ранней Вселенной и имеющий сейчас эквивалентную температуру около 10 K. Пензиас позвонил Дикке, и обе группы исследователей встретились. Роберту Дикке и его коллегам Ф.Пиблсу, П.Роллу и Д.Уилкинсону стало ясно, что А. Пензиас и Р. Уилсон обнаружили реликтовое излучение горячей Вселенной. Ученые решили одновременно опубликовать два письма в престижном «Астрофизическом журнале» («Astrophysical Journal»). Летом 1965 были опубликованы обе работы: Пензиаса и Уилсона об открытии реликтового излучения и Дикке с коллегами – с его объяснением при помощи теории горячей Вселенной. По-видимому, не до конца убеждённые в космологической интерпретации своего открытия, Пензиас и Уилсон дали своей заметке скромное название: Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц. Они просто объявили, что «измерения эффективной зенитной температуры шума... дали значение на 3,5 K выше, чем ожидалось», и избежали всяких упоминаний о космологии, за исключением фразы, что «возможное объяснение наблюдаемой избыточной температуры шума дано Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в сопутствующем письме в этом же выпуске журнала». В последующие годы на различных длинах волн от десятков сантиметров до доли миллиметра были проведены многочисленные измерения. Наблюдения показали, что спектр реликтового излучения соответствует формуле Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой. Подтвердилось, что эта температура примерно равна 3 K. Было сделано замечательное открытие, доказывающее, что Вселенная в начале расширения была горячей. Таково сложное переплетение событий, завершившееся открытием горячей Вселенной Пензиасом и Уилсоном в 1965. Установление факта сверхвысокой температуры в начале расширения Вселенной явилось отправной точкой важнейших исследований, ведущих к раскрытию тайн не только астрофизических, но и тайн строения материи. Наиболее точные измерения реликтового излучения проведены из космоса: это эксперимент «Реликт» на советском спутнике «Прогноз-9» (1983–1984) и эксперимент DMR (Differential Microwave Radiometer) на американском спутнике COBE (Cosmic Background Explorer, ноябрь 1989–1993) Именно последний позволил точнее всего определить температуру реликтового излучения: 2,725 ± 0,002 K.»[5]

2. Основные закономерности  протекания химических реакций. 
     « В основных закономерностей протекания химических реакций относятся тепловой эффект реакции, химическое равновесие, скорость реакции, катализатор. Рассмотрим каждый из них. 
      Тепловой эффект реакции - это теплота, которая выделяется или поглощается системой при течении в ней химической реакции. В зависимости от того, происходит реакция с выделением теплоты или сопровождается поглощением теплоты, различают экзо-и эндотермические реакции. К первым, как правило, относятся все реакции соединения, а ко вторым - реакции разложения. 
       Химическое равновесие - это такое состояние системы, когда скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. 
      Процессы, которые одновременно происходят в двух взаимно противоположных направлениях (прямом и обратном), называются обратимыми. 
       Большинство химических реакций обратимы. Они происходят самопроизвольно до установления в системе химического равновесия. После наступления равновесия концентрации исходных веществ и продуктов реакции при данных условиях остаются неизменными. Равновесие нарушается, если изменяются температура, концентрация реагентов, давление (для газообразных систем). Закономерность влияния внешних условий на равновесие обратимых химических реакций установил французский ученый Ле Шателье. Ее назвали в честь принципом Ле Шателье. Он формулируется так: если условия, при которых система находится в равновесии, изменить, то равновесие смещается в сторону тех процессов, которые этому изменению противодействуют. Например, если увеличить концентрацию одного из исходных веществ, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции, которая уменьшает концентрацию введенного вещества. 
       Скорость химической реакции. Известно, что химические реакции происходят с разной скоростью. О скорости реакции делают вывод на основании изменения концентрации одного из веществ за единицу времени:  . 
       На скорость протекания реакций влияют различные факторы: природа веществ, концентрация их, температура, площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ, катализатор. 
      Катализатор - это вещество, которое изменяет скорость химической реакции, но количественно при этом не расходуется и в состав продуктов не входит ».  [6]

3. Роль микроэлементов в жизни растений и животных.

«Правильная оценка значения того или иного элемента в жизни организма стала возможной после многолетних наблюдений над состоянием животного и растительного мира в различных районах земного шара и кропотливой работы по сопоставлению данных наблюдений с результатами химических анализов почвы и почвенных вод в этих же районах.

В расширение кругозора наших  знаний о роли элементов в биологических  системах внесли большой вклад исследования акад. В. А. Вернадского, акад. А. П. Виноградова  и их учеников. Было доказано, что  между химическим составом почв и  формами растений, развивающихся  на них, имеется глубокая связь. Так, на почвах, богатых кальцием (карбонатные  породы, известняки), развиваются растения характерных видов - кальцефильная флора; избыток цинка в почве ведет к появлению особых видов цветов (фиалки) и т. д.

Земную оболочку (литосферу, гидросферу и атмосферу, вместе взятые) называют биосферой, она является ареной жизненных процессов, потребляющих различные соединения элементов  и создающих новые. Масштабы этого  биогеохимического круговорота  колоссальны - биосфера содержит 100 млрд. т живого вещества. Фотосинтетические  процессы в течение года потребляют 175 млрд. т углерода, превращая его в различные органические соединения. Водоросли, губки, растения суши накапливают кремний - жесткая трава прибрежных мест, о которую так легко порезать пальцы, содержит много кремния; корненожки, кораллы собирают кальций - он необходим им для постройки прочных защитных оболочек; иглокожие концентрируют ванадий и т. д. После гибели всех этих организмов образуются скопления веществ, состав которых отражает особенности не только геохимических процессов (выветривания, растворения минералов), но и в не меньшей степени характер существования живых систем.

Поэтому природа даже в  тех ее формах, которые, казалось бы, не имеют отношения к жизни, в  действительности создана при активном участии живых организмов. Коралловые острова и коралловые рифы, тянущиеся  на тысячи километров и достигающие  в высоту 2-3 км, созданы живыми существами, построившими их в основном из карбоната  кальция.

Раскрытие этих важных закономерностей  и помогло понять данные наблюдений, относящиеся к вопросу о жизненной  ценности того или иного элемента. На полях Австралии, которые ничем  особенным не выделялись среди других пастбищ, скот часто заболевал анемией; было выяснено, что причиной является недостаток в почве соединений меди. Еще более тяжелая картина  анемических расстройств у крупного рогатого скота наблюдалась в  некоторых прибалтийских районах: сильное исхудание, слабость, малокровие сопровождали эту болезнь, приведшую  к гибели многих животных. Тонкий химический анализ выявил дефицит в почвах этих районов элемента кобальта. Немногое было известно о роли этого металла  в жизненных процессах. Тревожные  сигналы из угрожаемых районов заставили  попытаться изучить проблему более  детально.

Больные анемией животные быстро поправлялись при введении в  их корм солей кобальта. Надо было, очевидно, искать кобальт среди тех веществ, которые находятся в нормальном, здоровом организме. Громадная работа, о трудностях которой мы позже  расскажем, увенчалась успехом. Было доказано, что кобальт входит в состав витамина B₁₂, который, как и медь, необходим для процесса кроветворения. Результат этот имел далеко идущие последствия: удалось разработать методы надежного лечения опасной болезни - злокачественной анемии, поражавшей животных и человека и считавшейся до этого времени почти неизлечимой.

Недостаток меди и железа в почвах отражается и на состоянии  растений - они заболевают хлорозом. В зеленых частях растения задерживается  образование хлорофилла, снижается  и процент витаминов.

Избыток некоторых элементов  также представляет опасность. Известны заболевания животных, вызванные  избыточным содержанием в почвах молибдена, селена, фтора и др. Все  это указывает на то, что животный и растительный мир находится  в постоянном взаимодействии с веществами литосферы (суши) и гидросферы (водная оболочка Земли).

А атмосфера? Имеет ли она  отношение к жизни? Конечно! Мы ведь дышим кислородом атмосферы, а дыхание  живых существ и работа многочисленных заводов обогащает атмосферу  углекислым газом. Не все знают, что  и появилась-то кислородная атмосфера  на Земле именно вследствие деятельности фотосинтезирующих организмов, разлагавших  воду и выделявших кислород. Лишь малая  часть кислорода, по-видимому, возникла за счет разложения воды ультрафиолетовым излучением Солнца. Кислород, оказавшись в атмосфере, не только способствовал формированию микроорганизмов аэробного типа, но и окислял соединения металлов с низшими степенями окисления: соединения железа (II) превратились в соединения железа(III), оксиды марганца(II) образовали оксиды марганца (IV) и т. д. Живая и неживая природа постоянно влияют химически друг на друга, и было бы странным предполагать, что деятельные и хорошо растворимые соединения многих металлов не будут так или иначе вовлечены в жизненный круговорот.

На основе тех наблюдений, о которых шла речь выше, и начала постепенно развиваться отрасль  науки, которую ныне называют бионеорганической  химией. В ее задачи входило прежде всего выяснение роли каждого элемента в биологических процессах.

Сведения о функциях классических элементов жизни - углерода, кислорода, водорода, фосфора, серы, азота - достаточно подробны, их расширение составляет цель работы биохимиков. К области биохимии относят и данные о функциях йода и других галогенов. Поэтому на долю бионеорганической химии остаются главным образом металлы. Вспомним, что к металлам относится большинство  элементов, и перспективы развития бионеорганической химии по этой причине разнообразны и значительны. Успехи, уже достигнутые на этом пути, в большой мере обусловлены  введением в практику новых современных  методов исследования, позволивших  составить достаточно ясное представление  о структуре биологических машин  клетки и о месте, которое занимают в таких машинах ионы металлов.

Подводя предварительный  итог опытным данным, можно сказать, что особенно важными следует  считать ионы меди, железа, цинка, кобальта, марганца, молибдена, кальция, натрия, калия и магния. Это не значит, что остальные металлы не играют биологической роли. Весьма вероятно, что мы просто еще не знаем многого, что составит в будущем содержание бионеорганической химии, и пока вынуждены ограничиться наиболее изученными явлениями, относящимися к этой области. Кроме того, даже те металлы, которые при нормальном состоянии организма не занимают в его работе заметного места, можно иногда с успехом применять для лечения заболеваний. Примером этого может служить серебро - некоторые его соединения обладают бактерицидными свойствами, причем уничтожают бактерии даже в очень малых концентрациях, они применяются для этих целей в медицине.

Рассматривая элементы, заполняющие  таблицу Менделеева, можно выделить те, из них, которые играют особенно важную (и лучше изученную) роль в  процессах, поддерживающих жизнь и  развитие организмов, - так называемые биогенные элементы. Кроме уже  известных легких элементов Н, О, С, N, P, S, Mg, Ca, Na, К, мы найдем и более тяжелые - Fe, Co, Cu, Zn, Cr, Mn, Мо и др., относительно функций которых сведения не всегда достаточно полны (это относится, например, к хрому).

Основная масса биологически активных металлов расположена в  средней части первого большого периода и относится к переходным элементам. Исключение составляют только четыре металла: натрий, калий, магний, кальций, которые содержатся в организмах в сравнительно больших количествах. Роль лития неясна, хотя и он, по-видимому, выполняет какие-то биологические  функции, по крайней мере, в растениях.

Переходные элементы содержатся в организмах в очень малых  количествах, и уже из этого можно  сделать осторожный вывод, что их значение (доказанное прямым опытом!) должно быть связано с катализом. Ведь именно активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества, действуя в малых концентрациях. В дальнейшем мы увидим, что такое  предположение в большинстве  случаев оказывается верным. Но вышеназванные  металлы могут еще выполнять (вместе с органическими соединениями) и  другую работу - переносить с места  на место группу атомов или целые  молекулы, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать и т. п.