Контрольная работа по естествознанию

В масштабе Вселенной – да, глобальное, и оно как бы охватывает всего. Ну а дальше, в зависимости от масштаба и иерархии начинается гигантское многообразие пространств. Каждый обособленный объект (скопления, галактики, звезды и т.д.) в зависимости от внутренний структуры и взаимодействий, формирует свое внутреннее пространство, отличающееся от характеристик и параметров внешнего пространства. Например, если это галактика, то она формирует свое пространство, которое отличается от Вселенского по многим параметрам: гравитацией, электрическим и магнитным полем, плотностью вещества, температурой и т.д. И в свою очередь, это пространство (галактическое) является как бы материнским для звезд, и параметры галактического пространства являются внешними условиями для звезд. А звезды формируют свое внутреннее пространство, несколько отличное от галактического, и т.д. Таким образом, наш мир состоит из множеств различных, как бы, вложенных друг в друга, пространственно обособленных структур (Систем). Нечто похожее на матрешки. Если Вселенную принять за внешнюю фигурку, то самая маленькая лежит в микромире. Приближенной (грубой) форме, для наглядности, можно привести следующую, нисходящую схему: Вселенная - ??? – скопления галактик – галактики – звезды – планеты - молекулы – атомы – (???). (обычно мы легче воспринимаем в обратном порядке). Но приведенная схема лишь показывает как бы нисходящую вертикаль. А если смотреть вширь, то на каждом уровне вниз по вертикали, количество Систем одинаковой иерархии (или класса) растет многократно. Миллионы(?) скоплений, миллиарды галактик, еще на несколько порядков больше звезд.

Формирование Систем, видимо, идет в направлении от малых к большим. Сперва образуются Системы микромира (эл.частицы, атомы), потом они объединяются в молекулы, эти в свою очередь - Системы нашего масштаба. Миллионы, миллиарды звезд образуют галактики, а дальше – скопления галактик, и сверхскопления...

Каждая большая Система формирует внешнее условие для малых, так как меньшие находятся внутри большой Системы. И сами служат "кирпичиками" для строительства еще большей Системы. Хотя эти Системы обособленные объекты, более или менее прозрачны друг другу, между ними происходит обмен энергией, обмен веществом. Их взаимодействия происходят через особые зоны (поля), источником которых является каждая обособленная Система.

Как и любой обособленный объект, наше Солнце тоже создает свой мир. Его магнитное поле как скорлупа «накрывает» всю Солнечную систему, и таким образом, как бы отделяет нас от Галактического пространства. Поэтому внутри Солнечной системы условия иные, чем в межзвездной среде. Тут "свои порядки": свои электромагнитные поля, своя температура, давление, концентрация веществ, и т.д.

В свою очередь, каждая планета Солнечной системы создает свое пространство, отличающиеся не только от межпланетной среды, но и не похожее на других..

Таким же путем, Земля создает свой собственный "мирок". Магнитное поле планеты как огромный "пузырь" отделяет нас от межпланетной среды, и способствует созданию внутри "пузыря" иных условий. Находясь внутри такой "магнитной скорлупы", мы неплохо защищены от множества вредных космических лучей (гамма и рентгеновские излучения, высокоэнергетические частицы, и т.д.). Которые летят к нам с огромной скоростью не только от Солнца, но и извне Солнечной системы, из дальнего космоса. Магнитное поле частично их отражает, частично - отклоняет. Так же околоземное пространство заполнено собственным электрическим (и магнитным) полем планеты, которое создает некий фон, "ауру", вокруг планеты. На него "погружается" довольно плотная газовая атмосфера, которая по мере удаления от поверхности планеты, постепенно сходит на нет. Еще есть эффект гравитации, которое не дает уйти Луне, удерживает атмосферу, и нас на поверхности планеты. Все они вместе создают необходимые условия для жизни на Земле. Параметры этого околоземного пространства (магнитные и электрические поля, гравитация, термодинамические параметры) и происходящие в нем процессы для нас являются внешними условиями, так как мы погружены в эту среду...

А мы, в свою очередь, как обособленные биосистемы, притом каждый из нас, формируем внутри себя собственное пространство и собственную среду, где идут биохимические процессы, что и обеспечивает нашу жизнедеятельность. Наше внутреннее пространство и его параметры образуют внешние условия для объектов более меньшего масштаба...

Если и дальше продвигаться вниз по пространственной шкале, то таким же образом, внутримолекулярные условия являются внешними для составляющих ее атомов, а внутриатомные - для ядер и электронов, входящих в атом, и т.д.

Исходя из вышеизложенного, можно выделить следующие характеристики пространства:

Абсолютность Пространства означает его независимость от Материи (также от Движения и Времени). То есть по классическим представлениям пространство служит вместилищем материи.

Однородность Пространства означает, что во всех его точках физические свойства пространства одинаковы.

Непрерывность Пространства означает, что какой бы малый объем его мы ни выделяли, оно не исчезает, а остается.

Как видим современные концепции о физических свойствах Пространства оказываются диаметрально противоположны классическим концепциям:

1. пространство относительно, т.е. не может существовать без Материи и зависит от «материального наполнения»;
2. пространство неоднородно, т.е. его физические свойства различаются в разных точках;
3. пространство дискретно, т.е. перестает существовать ниже некоторой малой длины, так называемого кванта пространства.

Пространство имеет свои геометрические характеристики. Точки зрения классических концепций: пространство трехмерно, двунаправлено и неевклидово.

Мерность пространства означает число независимых координат, необходимых и достаточных для точного задания положения материальной точки.

Двунаправленность пространства означает, что положительные и отрицательные направления осей координат равноправны.

Евклидовость пространства означает, что для него выполняются правила Евклида – математика эпохи эллинизма.

По современным концепциям естествознания классические геометрические характеристики пространства, если и выполняются, то приблизительно (неевклидово).

3. Галактика.

Часть Вселенной, видимая в настоящее время с помощью приборов называется Метагалактикой. По современным представлениям, она имеет диаметр около 100 млн. световых лет, возраст Метагалактики — 15 млрд. лет, в нее входит 1022 звёзд.

Звёзды в Метагалактике образуют галактики (от греч. galaktikos — млечный) — это большие звёздные системы, в которых звёзды связаны силами гравитации. Предположение о том, что звёзды образуют галактики, впервые высказал немецкий философ Иммануил Кант в 1755 г. в своей «Всеобщей естественной истории и теории неба».

Галактики содержат триллионы звёзд, их радиус достигает десятков тысяч парсек. Однако встречаются среди галактик и карликовые. Они в несколько раз меньше по размерам и массе. Первые семейства карликовых галактик были открыты в 30- е годы XX в. Американский астроном X. Шепли обнаружил два слабых скопления звёзд в созвездии Скульптора (южное полушарие неба). Они не принадлежали к нашей Галактике и оказались карликовыми звёздными системами. Карликовые галактики состоят из очень старых звёзд небольшой массы и содержат мало пыли и газа.

Практически во всех галактиках, в том числе и карликовых, выделяется яркая центральная часть, называемая ядром. Яркость ядра объясняется высокой концентрацией звёзд. Однако суммарное число звёзд ядра составляет лишь несколько процентов от их общего числа в галактике. Активные ядра галактик часто отличаются усилением мощности инфракрасного и рентгеновского излучений.

Обычно галактики встречаются небольшими группами, содержащими по десятку членов, часто объединяющимися в обширные скопления сотен и тысяч галактик.

Наша Галактика входит в состав так называемой Местной группы, включающей в себя три гигантские спиральные галактики (наша Галактика, туманность Андромеды и туманность в созвездии Треугольника), а также более 15 карликовых эллиптических и неправильных галактик, крупнейшими из которых являются Магеллановы Облака.

Группы и скопления разнообразны по типам входящих в них галактик. Иногда в них входят только спиральные и неправильные, иногда — только эллиптические галактики, иногда же — и те, и другие.

В среднем размеры скоплений галактик составляют около 3 Мпк. В отдельных случаях диаметр их может превышать 10- 20 Мпк. Скопления делятся на рассеянные (неправильные или иррегулярные) и сферические (правильные или регулярные).

Рассеянные скопления не обладают правильной формой и имеют нерезкие очертания. Галактики в них весьма слабо концентрируются к центру. Примером гигантского рассеянного скопления может служить ближайшее к нам скопление галактик в созвездии Девы. На небе оно занимает примерно 120 кв. градусов и содержит несколько тысяч преимущественно спиральных галактик. Расстояние до центра этого скопления составляет около 11 Мпк.

Сферические скопления галактик более компактны, чем рассеянные, и обладают сферической симметрией. Их члены заметно концентрируются к центру. Примером сферического скопления является скопление галактик Е и So в созвездии Волос Вероники, содержащее очень много эллиптических и линзообразных галактик. Его диаметр составляет почти 12 градусов. В нём содержатся около 30 000 галактик ярче 19 фотографической звёздной величины. Расстояние до центра скопления составляет около 70 Мпк.

Все звёздные системы — галактики настолько далеки, что их тригонометрические параллаксы ничтожно малы и не подаются измерениям. Поэтому для определения расстояния до галактик применяют другие способы, точность которых не очень велика.

Обозначив расстояние до галактики через r, линейный диаметр — D, угловой диаметр — d”, легко вывести следующую формулу для определения диаметра галактики:

, где D и r выражены в парсеках, а d” — в секундах дуги.

Линейный диаметр ближайшей к нам галактики Туманности Андромеды не менее 40 кпк, т.е. превышает диаметр нашей Галактики.

Один из методов определения расстояния до галактики основан на определении видимых и абсолютных звёздных величин цефеид, новых и сверхновых звёзд, открываемых в других галактиках. По формуле можно вычислить расстояние до тех галактик, в которых обнаружены цефеиды, новые и сверхновые звёзды...

Смещение спектральных линий, наблюдаемое в различных частях какой-нибудь близкой к нам галактики, свидетельствует о том, что галактики вращаются. Периоды вращения внешних частей галактик оказываются порядка 108 лет. Центральные части галактик, как правило, вращаются с одной угловой скоростью, т.е. как твёрдые тела. Направление вращения спиральных галактик происходит, по- видимому, в сторону закручивания спиральных ветвей.

Массы галактик определяются на основании скоростей вращения внешних их частей. Для грубой оценки массы предполагается, что это вращение происходит по закону Кеплера. Если область галактики, расположенная на окраине (на расстоянии R от её центра), имеет линейную скорость вращения v, то центростремительное ускорение этой области будет. Приравниваем его к гравитационному ускорению, получаемому из закона всемирного тяготения , где М — масса ядра галактики:

отсюда найдём массу ядра галактики:

Зная, что масса всей галактики на один - два порядка больше массы её ядра, можно вычислить массу всей галактики. Например, масса ядра галактики в созвездии Андромеды порядка 1040 кг (примерно 1010 массы Солнца), а всей галактики — примерно в 100 раз больше (такова же примерно и масса нашей Галактики). Массы большинства наблюдаемых галактик заключены в пределах 109- 1012 масс Солнца. Если исключить карликовые системы, то среднее значение масс оказывается равным 1011 масс Солнца или 2•1044 г.

Очень различаются галактики по светимости. Галактики - сверхгиганты имеют светимости, в десятки миллиардов раз превышающие светимость Солнца, слабейшая же из известных галактик- карликов имеет светимость всего в 10% от светимости Солнца.

Для галактик выявлена определённая зависимость между массой и светимостью. У разных типов галактик отношение массы к светимости также различно. У спиральных и неправильных галактик отношение массы к светимости, выраженное в солнечных единицах, колеблется от 1 до 10. Для эллиптических галактик это отношение составляет несколько десятков. Следовательно, основная доля массы в галактиках приходится на звёзды поздних спектральных классов, для которых отношение массы к светимости больше единицы.

Обозначаются галактики обычно сокращенным названием каталога и номера, под которым они в нем зарегистрированы.

Например, туманность Андромеды в каталоге Мессье стоит под № 31, а в «Новом общем каталоге» Дрейера — под № 224. Поэтому она обозначается М 31 или NGC 224.

Эволюция и движение галактик.

После Большого Взрыва плотность вещества во Вселенной была неоднородной. Местами образовывались сгустки, "блины". Они медленно вращались. Внутри них образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал ста и более тысяч световых лет. Сейчас эти системы называют протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звёзд, которые мы сейчас называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают гигантское завихрение.