Соотношение классической, релятивистской

И квантовой картин

Классическая механика обнаружила пределы своих возможностей в объяснении атомных и молекулярных спектров, поведения теплоемкости твердых тел, движения тел со скоростями, соизмеримыми со скоростью света, и других явлений. Для их описания были созданы новые системы определений, понятий, аксиом, постулатов, которые легли в основу квантовой и релятивистской механик - новых моделей описания природы. К классическим концептуальным системам физики присоединились неклассические. Но это не простое объединение, оно связано с ломкой старых и возникновением новых представлений о пространстве, времени и причинности. Оно изменило образ физической мысли. В результате этого объединения произошла смена парадигмы физической науки.

Но это не значит, что законы классической механики оказались несправедливы. Вот что по этому поводу пишет В. Гейзенберг в своей классической работе «Физика и философия»: «Всюду, где понятия механики Ньютона могут быть применены для описания процессов природы, законы, сформулированные Ньютоном, также являются справедливыми и не могут быть улучшены. Электромагнитные же явления не могут быть должным образом описаны с помощью системы понятий ньютоновской механики. Поэтому эксперименты над электромагнитными полями и световыми волнами совместно с их теоретическим анализом, проведенным Максвеллом, Лоренцом и Эйнштейном, привели к новой замкнутой системе определений, аксиом и понятий, к системе, являющейся также непротиворечивой и замкнутой, что и система ньютоновской механики, хотя она существенно отлична от системы Ньютона».

Это значит, что не только классическая механика, но и вся классическая наука имеет границы применимости, в рамках которых она была и остается полностью справедливой.

На основе классической механики работают все машины и механизмы, строятся здания и сооружения. Классическая термодинамика лежит в основе работы тепловых двигателей, классическая электродинамика - в основе работы электрических установок. И совсем ни к чему при исследовании явлений макромира (например, движения автомобиля по дороге или работы электродвигателя) использовать представления релятивистской или квантовой физики. В условиях макромира эти эффекты будут настолько малы, что у нас не найдется приборов, чтобы их измерить, и более того, такие малые эффекты не повлияют на характер движения макротел.

Классическая механика является частным случаем других, более сложных моделей, и при определенных условиях соотношения релятивистской или квантовой механики переходят в соотношения классические, то есть новые теории, претендующие на более широкую область применимости, чем старая, включают последнюю в качестве предельного случая, т.е. выполняется принцип соответствия.

Однако и неклассическая наука не может ответить на множество вопросов, связанных с пределами познаваемости мира, единства разных типов взаимодействий, пределом делимости материи и многих других. По сравнению с классической наукой она расширила горизонт познания, перевела его на новый, более сложный уровень, но, как и классическая наука, оказалась ограниченной и бессильной в создании подлинно единой научной картины мира. К середине ХХ столетия оформились отдельные ее части, взаимосвязь между которыми просматривалась лишь на уровне общефилософских идей о развитии.

Мощный всплеск интегративных тенденций в науке, ускорение процессов междисциплинарного синтеза в поисках механизмов взаимосвязи природы, человека и общества и общих закономерностей их развития стали подножием для становления постнеклассической науки, сформировавшей новые познавательные модели, которые мы рассматривали во второй части учебника.

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Вселенная

Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространствеи бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.

Наука о строении и эволюции Вселенной получила название - космология. В космологии для измерения расстояний используют специфические единицы измерения:

- астрономическая единица – расстояние от Земли до Солнца – 150 миллионов километров;

- световой год - расстояние, которое проходит свет за время равное одному году;

- парсек – 3, 26 светового года или 3*10¹³км;

- мегапарсек – 1000 000 парсек.

По оценкам современной науки возраст Вселенной около 15-20 млрд. лет. Она состоит из огромного числа метагалактик. Метагалактикой называют ту область Вселенной, которая доступна на сегодняшний день для наблюдения современными методами. В состав метагалактик входят миллиарды галактик - упорядоченных скоплений звезд. Определяющее значение для устойчивости космологических систем имеют силы гравитации.

Вселенная имеет сотовую (ячеистую) структуру; в вершинах шестиугольников располагаются скопления галактик; диаметр ячеек около 50 Мпс. В масштабах свыше 200 Мпс. она считается однородной и изотропной.

Пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разреженным межгалактическим газом. Оно пронизывается космическими лучами, в нем существуют гравитационные и электромагнитные поля.

Если принимать Вселенную как открытую термодинамическую систему, то везде и всюду идет глобальный процесс самоорганизации материи. Ежедневно где-то гаснут старые и загораются новые звезды, рождаются и умирают планеты, рассыпается и превращается в хаос микрочастиц вещество, а потом снова организуется в зримые макротела.

Как устроена Вселенная, как живет и развивается, конечна она или бесконечна, каков ее возраст, было ли у нее начало и будет ли конец - эти вопросы издавна волновали человечество. И сегодня на большинство этих вопросов наука не может дать однозначных ответов. Несмотря на огромные достижения в исследованиях Вселенной, она лишь приоткрыла краешек занавеса, за которым скрыта ее тайна.

История науки знает множество моделей Вселенной и отдельных ее частей. К концу XIX века сформировалась убежденность в том, что Вселенная неизменна и бесконечна в пространстве и времени (стационарная космологическая модель). Для построения такой модели были использованы принципы классической механики и евклидовой геометрии.

В современной космологии построено несколько моделей Вселенной, среди которых:

- Модель расширяющейся Вселенной предполагает, что Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад в результате взрыва тела малых размеров – сингулярности.

- Модель пульсирующей Вселенной предполагает, что Вселенная периодически рождалась, достигала максимума развития, разрушалась, а затем процесс повторялся снова.

- Инфляционная модель Линде предполагает: во Вселенной постоянно возникают новые области, законы физики в которых различны.

Одной из наиболее распространенных в научном мире считается гипотеза расширяющейся или «горячей» Вселенной. Впервые эта гипотеза была высказана в конце XIX века американским астрономом П.Ловеллом (1855-1916). Из наблюдений за поведением нескольких галактик он пришел к выводу, что они удаляются от Земли. Это был первый сигнал о том, что Вселенная, в которой мы живем, далека от стационарности.

В начале ХХ века А. Эйнштейном была создана общая теория относительности, которая стала прародительницей нескольких моделей Вселенной.

1. Модель Шварцшильда. Возможна такая тяготеющая система, у которой все массы сосредоточены внутри сферы радиуса r; из-за мощного притяжения никакое излучение не может выйти за пределы этой сферы. У большей части звезд нашей Вселенной (за исключением черных дыр) радиус Шварцшильда (или гравитационный радиус) меньше их размеров, вследствие чего они излучают энергию в разных диапазонах длин волн и являются видимыми. Гравитационные радиусы обычных небесных тел ничтожно малы. Например, для Солнца, он всего 3 км, для Земли – 1 см.

Применив теорию Эйнштейна ко всей Вселенной, Шварцшильд нашел, что она является замкнутой. Если тело сожмется до размеров меньших его гравитационного радиуса то никакое излучение или частицы не смогут преодолеть поле тяготения и выйти за пределы тела к удаленному наблюдателю.

2. Модель Эйнштейна-Фридмана. Чтобы не отступать от общепринятой идеи статичности Вселенной, Эйнштейну пришлось в выведенные им уравнения, описывающие ее состояние, искусственно ввести так называемую «космологическую постоянную». В начале 20-х годов русский математик А. Фридман (1888-1925) пришел к выводу: если Вселенную считать однородной и изотропной, должно наблюдаться ее непрерывное расширение или сжатие в зависимости от величины плотности материи Вселенной.

И очень скоро нашлись экспериментальные подтверждения этой математической теории. В 1925 году американский астрофизик В. Слайфер (1875-1969), измерил лучевые скорости удаления от Земли 41 галактики. В 1926 году другой американский астроном Э. Хаббл (1889-1953), наблюдая за блеском переменных звезд - цефеид, определил расстояния до других галактик. Сравнение расстояний до галактик со скоростями их удаления позволило Хабблу в 1929 году установить следующую закономерность:

 

V = H*R,

 

где V - скорость удаления галактики, R - расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла, причем Н = 1/Т₀, где Т₀ - возраст Вселенной.

Многочисленные исследования показали, что в среднем Н = 75 км/с*Мпс, а Т₀ = 20 млрд лет!

Но если Вселенная расширяется, то какие же размеры она имела 15-20 млрд лет назад? Что это было и как шла эволюция Вселенной?

Гипотеза Большого Взрыва

 

Идею Большого Взрыва высказал каноник Леметр, президент папской академии в Риме. Разработал его теорию и построил модель «горячей» Вселенной американский физик-теоретик Г.Гамов (1904-1968).

Теория Большого Взрыва рисует перед нами грандиозный процесс эволюции материи, бесконечный в пространстве и времени. По этой теории модель эволюции Вселенной следующая. Вначале Вселенная представляла шар малых размеров - сингулярность, состоящий из элементарных частиц и фотонов. Под влиянием фундаментальных взаимодействий, которые были «сплавлены воедино», непрерывно протекал процесс их взаимного превращения. Откуда взялась эта сингулярность, никто ни объяснить, ни предположить не может. В результате каких-то флуктуаций процесс взаимного превращения частиц и излучения стал нестационарным, произошел взрыв, и началось расширение. И вот уже 20 миллиардов лет мир летит, обретая новые качества.

При расширении уменьшалась плотность и температура газа. В рамках предложенной модели эти зависимости имеют вид:

 

r = 8*10⁵/t² [ г/см³] ;

Т = 10¹¹/t [ К],

 

где r - среднее значение плотности материи в момент времени t, а Т - температура. Буквально через доли секунды после взрыва температура Вселенной была 10¹⁶-10¹⁸ К. При таких гигантских температурах вещество может существовать лишь в виде смеси элементарных частиц (плазмы). Для этого состояния характерны хаотическое движение частиц, высокая энтропия, отсутствие обратной связи.

При высоких температурах энергии частиц (а следовательно, и их скорости) настолько велики, что соединение частиц в более сложные образования (атомы) просто невозможно. При расширении Вселенной с понижением температуры и давления меняется качественный состав элементарных частиц.

Уже через промежуток времени 10^-23 секунд во Вселенной стали преобладать тяжелые частицы. До этого момента все четыре типа фундаментальных взаимодействий были объединены, затем они стали разделяться. Современная наука может наблюдать их только по отдельности. Дальнейшее расширение было связано с превращением тяжелых частиц в легкие, и примерно через 10^-4с наступила эпоха легких частиц. В этот период аннигиляция частиц и античастиц приводит к появлению мощного поля излучения и примерно через 10 с от начала взрыва, когда температура стала 10¹⁰К, а плотность материи 8*10³ г/см³, наступает эпоха излучения. К этому моменту во Вселенной еще оставалось относительно небольшое число тяжелых и легких частиц, между которыми «вяло» протекали процессы превращения. Примерно через 100 с температура упала до 10⁹К, а плотность - до 80 г/см³ (но и сегодня на Земле нет ни одного вещества, которое бы имело такую плотность). Снижение температуры привело к снижению скоростей частиц, а следовательно, и к увеличению времени их столкновения. Но так как энергия фотонов все еще была значительно больше энергии связи электронов и ядер, образования атомов не происходило. Процесс синтеза легких атомов (преимущественно водорода и гелия и небольшого количества лития и бериллия) начался при температуре 10⁷К. При образовании атомарных систем преобладают сильные и электромагнитные взаимодействия, благодаря этому на микроуровне происходит упорядочивание отдельных частиц, снижается энтропия микросистем, хотя в макромасштабе повышение энтропии продолжается. Через несколько часов от начала взрыва образование легких химических элементов закончилось.

Сверхплотная материя превратилась сначала в образование с плотностью, близкой к плотности воды, через несколько часов плотность стала сравнима с плотностью нашего воздуха, а сейчас средняя плотность материи во Вселенной составляет всего 10^-31 г/см³. Когда разные типы взаимодействия разделились, произошло структурирование материи в атомы. Ведущую роль в масштабах Вселенной начали играть силы гравитации. Под их влиянием и происходит ее самоорганизация и структурирование. Эти детали удалось воспроизвести с помощью методов математического моделирования на ЭВМ.

Таким образом, в эволюции Вселенной можно выделить эпохи:

- взрыв и рождение пространства-времени;

- хаос;

- эпоха излучений;

- стадия инфляции;

- рождение вещества: избыток барионов, кварки и глюоны, легкие частицы;

- рождение протонов и нейтронов;

- первичный нуклеосинтез и образование атомов водорода и гелия;

- образование газопылевых облаков;

- их структурирование и образование галактик;

- образование крупномасштабной структуры Вселенной.

Подтверждением возможности такого хода событий стало открытие в шестидесятых годах А. Пензиасом и Р. Уилсоном. остатков слабого «реликтового» (всего 500 фотонов на 1 см³) излучения. Не менее важным подтверждением того, что именно так и происходило рождение Вселенной, служат исследования высокотемпературной плазмы и физики элементарных частиц, проводимые на Земле.

Но остается множество вопросов, на которые современная наука пока не может дать ответа. Это проблемы так называемой «темной» материи, гравитационных линз и другие.

 

Галактики

Раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие космических тел и их систем - галактик, звезд, звездно-планетных систем получил название – космогония.

Галактиками называют скопления звезд в узлах ячеистой структуры, объединенные в одну систему гравитационными взаимодействиями. По современным представлениям однородная прозрачная Вселенная просуществовала недолго. Уже через небольшой промежуток времени стали возникать флуктуации плотности материи и области, где образовались уплотнения и газо-пылевые туманности – предшественники протогалактик. Под действием сил гравитационного притяжения уплотнения увеличивались и начинали отставать от общего темпа расширения Вселенной. Некоторые уплотнения стали вращаться и с течением времени образовали дискообразные и спиральные галактики. Другие стали эллиптическими или вообще бесформенными (туманность Конская голова в созвездии Ориона, Большое и Малое Магеллановы облака и др.). Пространство между галактиками заполнено разреженным межгалактическим газом. Его пронизывают космические лучи, гравитационные и электромагнитные поля

Наша Галактика - Млечный Путь представляет спиралеобразное образование, сбоку напоминающее диск. Диаметр этого диска - 3*10⁴ парсек. Пространство между ее спиральными рукавами заполнено пылью, газом, излучениями, которые составляют около 1% от массы Галактики. Галактика вращается вокруг своего оси с переменной угловой скоростью. В центре Галактики и ее спиральных рукавах интенсивно идут процессы звездообразования, достаточно часто отмечаются вспышки сверхновых звезд. В ее состав входит около триллиона звезд.

Ближайшая к нам галактика – Туманность Андромеды (удалена на 2,5 млн световых лет).

 

7. Звезды и звездно-планетные системы

Протогалактики также были неоднородны, в них существовали (и существуют) уплотнения - сгущения пылевых облаков, диффузные туманности, в которых концентрация материи более высока, чем в соседних областях. По мнению большинства астрономов, в результате сгущения облаков и туманностей под действием сил гравитации в них возникают уплотнения - зарождаются протозвезды. Со временем материя протозвезд еще более уплотняется и разогревается так сильно, что начинаются реакции термоядерного синтеза с выделением большого количества тепла. С ростом температуры внутри уплотнений давление возрастает и начинает уравновешивать давление сил гравитации. Протозвезды превращаются в шаровые образования – звезды.

Среди множества звезд выделяют стационарные и нестационарные (переменные). При систематизации стационарных звезд выделено семь основных спектральных классов,

O – B – A – F – G – K – M,

отличающихся по цвету, мощности излучения (светимости) и имеющих разные спектры.

O – самые горячие звезды, их цвет близок к голубому, их температура достигает 10 - 100 тысяч К.

М – холодные красные, их температура около 3000 К.

Солнце относится к классу G - желтый карлик, температура его поверхности около 6000 К.

Все звезды имеют сходный состав: основные элементы – водород и гелий и лишь небольшие количества других элементов – продуктов термоядерного синтеза. Разнообразие их спектров зависит от температуры, давления и плотности газа фотосферы, наличия магнитного поля, химического состава.

Атмосфера горячих звезд имеет плазменную природу. В атмосфере холодных звезд в небольших количествах обнаружены и нейтральные атомы, и простейшие молекулы (С, CN, TiO, ZrO и др.)

По размерам выделяют сверхгиганты и гиганты – радиусы, которых в 750 - 1000 раз превышают радиус Солнца. Но есть и карлики, размеры которых много меньше размеров Солнца. Звезды различаются по плотности вещества. У гигантов и сверхгигантов, находящихся в состоянии разреженной плазмы, плотность мала – 0, 001 кг/ куб м. Горячие белые карлики состоят из плотно упакованных ядер атомов. Их плотность доходит до 10 000 000 000 кг/ куб м. Самые массивные звезды лишь в десятки раз превосходят массу Солнца.

Разные типы звезд эволюционируют по разному. Первый этап развития у всех звезд практически одинаков: от неоднородностей галактики - к протозвездам и далее к стационарным звездам.

Когда температура в недрах протозвезды достигает ~10⁶К, ее сжатие прекращается. Стадию сжатия, которая у разных образований может продолжаться от сотен тысяч до сотен миллионов лет, сменяет стационарная стадия, в которой звезда находится большую часть времени жизни.

В начале стационарной стадии в ее атмосфере преобладают водород (75%), гелий (20%), небольшое количество более тяжелых элементов (около 30 наименований), некоторые простые молекулы. Под воздействием огромных давлений и температур в недрах звезд происходят термоядерные реакции, результатом которых является превращение водорода в дейтерий, затем в гелий с выделением огромных энергий и большого количества элементарных частиц. Когда весь водород в центральной части звезды выгорит, образуется гелиевое ядро. Оно постепенно сжимается и разогревается. Когда температура внутри ядра повысится до ~2*10⁷ К, происходит превращение гелия в углерод с последующим преобразованием в более тяжелые элементы.

Заключительный этап жизни звезды зависит от ее массы. Внешние слои звезд, соизмеримых с нашим Солнцем, постепенно расширяясь, покидают ядро звезды. Это ядро и становится «белым карликом» - маленькой раскаленной звездой. В метагалактике насчитывается огромное количество «белых карликов». Постепенно остывая, «белый карлик» превращается в потухшую звезду. Некоторые звезды раздуваются, их светимость возрастает, и на короткое время они превращаются в красного гиганта или сверхгиганта. В конце своего существования он со взрывом сбрасывает свою оболочку вместе с накопившимися в нем продуктами нуклеосинтеза в результате чего межзвездная среда обретает все известные на сегодняшний день химические элементы.

Иначе ведут себя более массивные звезды. После исчерпания ядерного горючего они теряют механическую устойчивость и начинают быстро сжиматься, переходя в стадию гравитационного коллапса (лат. collapsus - упавший; состояние, угрожающее устойчивости системы). Если растущее внутреннее давление останавливает коллапс, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой с радиусом в несколько километров. Это явление может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Взрывы сверхновых обогащают межзвездную среду тяжелыми химическими элементами. Есть предположение, что во время взрыва сверхновых образуются все элементы периодической системы. Если же в результате гравитационного коллапса радиус звезды окажется меньше радиуса Шварцшильда, она неминуемо превращается в «черную дыру».

«Черная дыра» создает вокруг себя гравитационное поле гигантской силы. Ее огромное тяготение не выпускает за пределы звезды никакое излучение, поэтому никакие приборы не могут ее зафиксировать. Тем не менее «черные дыры» обнаруживаются. Имея громадное тяготение, «черная дыра», возможно, притягивает другие звезды либо находится в составе двойной звезды. Раскаленный газ с поверхности обычной звезды непрерывно падает на «черную дыру», образуя вокруг нее вращающийся газовый диск с температурой ~10⁷К. При такой температуре материя излучает в рентгеновском диапазоне. Если такой источник к тому же обладает большой массой, он является претендентом на «черную дыру».

Конечно, приведенные здесь рассуждения всего лишь иллюстрируют модельные представления современной науки. Но однозначно то, что в процессе самоорганизации и эволюции Вселенной звезды рождаются, живут и умирают, подчиняясь фундаментальным законам природы. И этот процесс непрерывен и бесконечен.

Солнце и Солнечная Система

Центральное тело звездно-планетной системы, в которой мы проживаем, - Солнце. Это типичный «желтый карлик», который располагается на периферии галактики Млечный Путь. Оно представляет собой раскаленный плазменный шар, температура поверхности которого около 6000 К, во внутренних слоях она значительно выше - около 15000 и более К. По оценкам специалистов, возраст нашего Солнца - около 5 млрд. лет, его радиус ~ 691000 км, масса ~ 2*10³⁰ кг, что составляет ~99,9 % массы всей Солнечной системы. Плотность солнечного вещества ~1,4*10^-6 г/м³. Сидерический (звездный) период его вращения вокруг собственной оси (определенный по движению точек экватора) составляет 25,4 земных суток. Вместе со всей Галактикой Солнечная система движется вокруг ее центра с переменной скоростью, совершая полный оборот примерно за 200 миллионов лет. Условно в «атмосфере» Солнца выделяют фотосферу, хромосферу и корону. Конвекционные потоки, поднимаясь от центра и более горячей фотосферы, перемешивают нижние более нагретые и внешние более холодные слои солнечной атмосферы. Вследствие этого на ее поверхности периодически образуются и исчезают нестационарные образования - гранулы, факела, вспышки, протуберанцы, темные пятна, появление которых сопровождается магнитными аномалиями. Их количество в наиболее активных областях циклически изменяется. Вместе с ними изменяется и солнечная активность, которая выражается в интенсивности выбрасываемых за пределы Солнца потоков различных видов излучений и элементарных частиц. Возникающий солнечный ветер вызывает сильные возмущения вблизи планет, особенно тех, которые обладают магнитным полем (например, Земля, Юпитер). Из 70 обнаруженных на Солнце химических элементов большую часть массы составляют водород (70%) и гелий (28%).

Первая космогоническая гипотеза образования Солнечной Системы была высказана еще в XYIII веке П.С. Лапласом и И. Кантом. По их представлениям когда-то на месте Солнечной Системы существовала газопылевая туманность. Вследствие действия сил гравитации туманность пришла во вращательное движение и стала сжиматься. В результате образовалось раскаленное центральное тело и система периферийных тел, в процессе эволюции которых и сформировались планеты. Большой вклад в планетную космогонию внесли наши соотечественники О.Ю. Шмидт (1891-1956) и В.Г. Фесенков (1889-1972). О.Ю. Шмидт высказал гипотезу о том, что в процессе своего движения вокруг центра Галактики протосолнце захватывало материю из других областей. Она-то и стала материалом для образования планет. В.Г. Фесенков высказал предположение, что в процессе эволюции Солнца произошла смена одного типа ядерных реакций на другой, что сопровождалось выбросом массы, из которой и сформировались в дальнейшем планеты.

Однако вплотную проблемой построения возможных сценариев происхождения и развития Солнечной Системы наука занялась лишь во второй половине ХХ века, когда был накоплен значительный эмпирический материал о поведении молодых звезд и, благодаря развитию космической техники, получены разнообразные сведения о планетах Солнечной Системы. Эти данные и использование мощной вычислительной техники позволили построить несколько моделей эволюции Солнечной Системы из первичного газопылевого комплекса. Предположительно его первоначальная масса составляла от 2 до 10 солнечных масс. Под действием сил гравитации он начинал сжиматься, при этом его плотность и температура увеличивались, возникали неоднородности, вследствие которых комплекс разрывался на отдельные фрагменты. Выделилось центральное ядро - протосолнце и экваториальная область, которая с течением времени под действием центробежных сил уплощалась и превращалась в диск - протопланетное облако. Вследствие дальнейшего сжатия, протосолнце разогрелось до температуры ~ 6000 К, при которой стали возможными термоядерные реакции, которые стали главным источником его энергии, и превратилось в звезду. На этот процесс ушло около 100 млн лет.

По одной из гипотез, протопланетное облако за это время превратилось в кольцо, в котором активно протекали процессы конденсации и аккумуляции пылинок и разогрев образовавшихся уплотненных тел. Под влиянием вращения всей системы и солнечной энергии в разных частях кольца образовались неоднородности разнообразного состава - протопланеты. В процессе их охлаждения и формировались современные планеты. При этом образование планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Нептун, Уран) шло по-разному. В процессе химической эволюции планет земной группы вначале конденсировались наиболее тугоплавкие элементы, обогащая их ядра железо-никелевыми соединениями. Вокруг ядер сосредотачивались силикатные породы, а позднее более легкие вещества и летучие соединения. Несмотря на схожесть механизмов образования планет земной группы, имеются и существенные различия. Это прежде всего различия атмосфер. Так Меркурий практически ее не имеет. В отличие от азотно-кислородной атмосферы Земли, атмосферы Венеры и Марса состоят в основном из диоксида углерода. Более того, атмосфера Венеры насыщена парами серной и соляной кислот. При этом атмосферное давление у поверхности Венеры в 90 раз больше, а у Марса - в 150 раз меньше, чем у поверхности Земли. Планеты различаются по своим магнитным свойствам, тектонической деятельности, температурным режимам и структуре поверхности. Сравнительная характеристика планет Солнечной системы приведена в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительная характеристика планет Солнечной Системы

 

Планета	R от Солнца в а.е.	Средний радиус в км	М в m Земли	Период вращения вокруг собственной оси	Период обраще ния вокруг Солнца в земных годах	Орбитальная скорость в км/с	Накклон оси к плоскости орбиты в о	Число спутни ков	Атмосфера
Меркурий	0,39		0,06	59 сут	0,24	47,9		-	следы
Венера	0,72		0,82	243 сут	0,62		-87	-	о.плотн
Земля				24 час		29,8			плотн
Марс	1,52		0,11	24 час	1,88	24,1			разреж
Юпитер	5,20			10 час	11,86	13,1			о.плотн
Сатурн	9,54			10 час	29,46	9,6			о.плотн
Уран	19,2			11 час		6,8	-8		о.плотн
Нептун	30,1			15,8 час		5,4			о.плотн
Плутон	39,5		0,002	6,4 сут		4,7	15?

Если становление планет земной группы произошло в первые сто миллионов лет, то образование гигантов затянулось на более длительное время. С ростом расстояния от Солнца ослабляется интенсивность его излучения, что ведет к значительному снижению температуры на периферии системы (около 20 и ниже К). Выдуваемые солнечным ветром, легкие газы при таких температурах замерзают, сжижаются и превращаются в лед. Показано, что все гиганты не имеют твердой поверхности. Например, атмосфера Юпитера состоит из водорода, который, вследствие повышения давления, по мере погружения в глубину плавно переходит в жидкую и только ближе к ядру планеты - в твердую металлическую фазу. В таком состоянии водород обладает высокой электропроводностью, а возникающие в результате быстрого вращения планеты токи порождают мощные магнитные поля. Все планеты-гиганты имеют большое количество спутников и кольца, состоящие из газа, пыли и мелких тел.

Возможно, что вокруг некоторых звезд окраинного пояса Млечного Пути тоже существуют планетные системы, но с уверенностью об этом сказать что-либо определенное трудно. Пока человечество может исследовать лишь одну планетную систему - Солнечную.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Геологическая картина мира базируется на комплексе наук о составе, строении, истории развития, геологических процессах в недрах планет. Наиболее доступной для подобных исследований является наша планета Земля. К сожалению, о геологии даже таких близких к ней космических тел как ее спутник – Луна или планета Марс пока еще трудно говорить.

1. Общая характеристика планеты

Методом ядерной космохронологииустановлено, что возраст Земли 4,5-5 млрд лет. Современная Земля представляет собой слегка сплюснутый шар, движущийся почти по круговой орбите радиуса 149,6 млн км со средней скоростью около 30 км/с. Его средний радиус ~ 6370 км, масса - 5,98*10²⁴ кг, период обращения вокруг Солнца 365,25 суток, угол наклона оси к плоскости орбиты - 66^о 34′, период обращения вокруг собственной оси - 23 часа 56 минут 4,09 секунд. Земля является своеобразным волчком, ее ось медленно прецессирует (лат. praecessio - движение впереди, движение оси вращения, при котором она описывает коническую поверхность вокруг некоторого среднего положения). Участие Земли в этих движениях определяет периодичность поступления солнечной энергии на различные участки ее поверхности, смену периодов похолодания и потепления, времен года, зональность распределения растительного и животного мира. Вместе со всей Солнечной системой Земля обращается вокруг центра нашей галактики, а вместе с галактикой - вокруг центра Вселенной. Многие исследователи полагают, что с этим связаны периодически повторявшиеся в истории Земли глобальные оледенения и потепления. Земля - единственная из девяти известных планет Солнечной системы, где с течением времени сложились и сегодня имеются в наличии условия для существования живого вещества.