Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 с.

Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро- , макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

Понятно, что границы микро - и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты, построены из микрообъектов и в основе макро - и мегаявлений лежат микроявления. Это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро - и мегаразмеры объектов соотносятся друг с другом как макро/микро~ мега/макро.

В классической физике отсутствовал объективный критерий отличия макро - от микрообъекта. Это отличие ввел М. Планк: если для рассматриваемого объекта минимальным воздействием на него можно пренебречь, то это макрообъекты, если нельзя – это микрообъекты. Из протонов и нейтронов образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следует обычные макротела, планеты и их системы, звезды скопления галактик и метагалактик, то есть можно представить переход от микро-, макро - и мега - как в размерах, так и моделях физических процессов.

Также смотрите:

Принцип деятельности вегетативного отдела нервной системы
Вегетативный отдел нервной системы осуществляет свою деятельность по принципу безусловных и условных вегетативных рефлексов. Афферентный путь рефлекторной дуги вегетативного рефлекса представлен висцеральными и соматическими нервными волокнами. Вегетативные нервные ц...

Выводы
1. В ходе работы исследовано 13 культур микроорганизмов. Все культуры способны расти на средах с добавлением НПАВ и АПАВ. В эксперименте с использованием КПАВ обнаружен рост только 5‑ти культур (а1, а2, b, с, 5). 2. Наибольшей активностью исследуемые штаммы обл...

Характеристика химического состава белков.
Изучая химический состав белков, необходимо выяснить, во-первых, из каких химических элементов они состоят, во-вторых, - строение их мономеров. Для ответа на первый вопрос определяют количественный и качественный состав химических элементов белка. Химический анализ по...

Микро-, макро- и мега - миры. 4

Микромир. 5

Макромир. 6

Мегамир. 8

СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. 10

Проблема взаимодействия мега-, макро- и микромира. 10

Большое и малое. 12

Большое и малое в других науках. 14

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 18

Метапредметное учебное занятие "Большое и малое» с использованием интерактивной доски. 18

Заключение 20

Список литературы 21

Приложение 1. 22

Приложение 2. 23

Приложение 3. 25

Введение.

Блез Паскаль
Область исследования. Вселенная - вечная загадка. Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. Естественные науки, начав изучение материального мира, с наиболее простых материальных объектов, переходят к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта.

Объект исследования . В середине XX века американский астроном Харлоу Шепли предложил интересную пропорцию:

Здесь человек является как бы средним геометрическим между звёздами и атомами. Мы решили рассмотреть этот вопрос с точки зрения физики.

Предмет исследования . В науке выделяют три уровня строения материи: микромир, макромир и мегамир. Определенные их значения и взаимоотношения между ними, по существу, обеспечивают структурную устойчивость нашей Вселенной.

Поэтому проблема, казалось бы, абстрактных мировых констант имеет глобальное мировоззренческое значение. В этом заключается актуальность нашей работы.

Цель проекта : исследовать микро-, макро- и мега миры, найти их особенности и связь.

Задачи проекта формировались следующим образом:

• 
  изучить и проанализировать теоретический материал;
• 
  исследовать законы, которым подчиняются большие и малые объекты в физике;
• 
  проследить связь большого и малого в других науках;
• 
  написать программу «Большое и малое» для метапредметного учебного занятия ;
• 
  собрать коллекцию фотографий, в которых прослеживается симметрия микро-, макро-, и мегамиров;
• 
  составить буклет «Микро-, макро- и мега- миры».

В начале исследования нами была выдвинута гипотеза , что в природе есть симметрия.

Основными методами проекта стала работа с научно-популярной литературой, сравнительный анализ полученной информации, отбор и обобщение информации, популяризация знаний по данной теме.

Экспериментальное оборудование : интерактивная доска.

Работа состоит из введения, теоретической и практической частей, заключения, списка литературы и трех приложений. Объём проектной работы – 20 страниц (без приложений).

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Д.И. Менделеев

Микро-, макро- и мега - миры.

Микромир.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10 8 до 10 16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 24 с.

История исследований . Древнегреческим философом Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи. Благодаря трудам английского учёного Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе. В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. В 1895 г. Дж. Томсон открыл электрон. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Существовало несколько моделей строения атома.

Далее были выявлены специфические качества микрообъектов, выражающиеся в наличии у них как корпускулярных (частицы), так и световых (волны) свойств. Элементарные частицы – простейшие объекты микромира, взаимодействующие как единое целое. Основные характеристики элементарных частиц: масса, заряд, среднее время жизни, квантовые числа.

Стремительно возрастает количество открытых элементарных частиц. К концу ХХ века физика приблизилась к созданию стройной теоретической системы, объясняющей свойства элементарных частиц. Предложены принципы, позволяющие дать теоретический анализ многообразия частиц, их взаимопревращений, построить единую теорию всех видов взаимодействий.

Макромир.

История исследований . В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный, охватывает период от античности до XVI-XVII вв. Наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов. Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира - механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы - научно-теоретического. И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц. Атомы прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Итогом такой картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.

Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области - оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира. Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

Мегамир.

Мегамир (планеты, звезды, галактика) - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15- 20 млрд. световых лет.

История исследований. Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Американский физик Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры”:

Эра адронов. Тяжелые частицы, вступающие в сильные взаимодействия;

Эра лептонов. Легкие частицы, вступающие в электромагнитное взаимодействие;

Фотонная эра. Продолжительность 1млн. лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны;

Звездная эра. Наступает через 1млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10 45 с после начала расширения. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10 30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании. Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Проблема взаимодействия мега-, макро- и микромира .

Живой предмет желая изучить,
Чтоб ясное о нем понятье получить,
Ученый прежде душу изгоняет,
Затем предмет на части расчленяет
И видит их, да жаль: духовная их связь
Тем временем исчезла, унеслась!
Гете
Прежде чем перейти к дальнейшему рассмотрению, нам следует оценить временные и пространственные масштабы Вселенной и как-то связать их с местом и ролью человека в общей картине мира. Попробуем объединить масштабы некоторых известных объектов и процессов в единую диаграмму (рис. 1), где слева представлены характерные времена, а справа - характерные размеры. В нижнем левом углу рисунка указан минимальный масштаб времени, имеющий какой-то физический смысл. Этот интервал времени, равный 10 43 с, называется планковским временем («хрононом»). Он намного короче продолжительности всех известных нам процессов, включая очень краткие процессы физики элементарных частиц (например, время существования самых короткоживущих частиц-резонансов составляет около 10 23 с). Выше по диаграмме указана длительность некоторых известных процессов, вплоть до возраста Вселенной.

Размеры физических объектов на рисунке изменяются от 10 15 м (характерный размер элементарных частиц) до 10 27 м (радиус наблюдаемой Вселенной, приблизительно соответствующий ее возрасту, умноженному на скорость света). Интересно оценить положение, которое на диаграмме занимаем мы, люди. На шкале размеров мы находимся где-то в середине, будучи чрезвычайно крупными по отношению к длине Планка (и превышая на много порядков размеры элементарных частиц), но очень маленькими в масштабах всей Вселенной. С другой стороны, на временной шкале процессов длительность человеческой жизни выглядит совсем неплохо, и ее можно сопоставлять с возрастом Вселенной! Люди (и в особенности поэты) любят жаловаться на эфемерность человеческого существования, однако наше место на временной шкале вовсе не является жалким или ничтожным. Разумеется, нам следует помнить, что все сказанное относится к «логарифмической шкале», однако ее использование представляется совершенно оправданным при рассмотрении столь гигантских диапазонов значений. Говоря другими словами, число человеческих жизней, укладывающихся в возрасте Вселенной, намного меньше, чем число времен Планка (или даже времен жизни элементарных частиц), укладывающихся в продолжительность жизни человека. В сущности, мы являемся довольно стабильными структурами Вселенной. Что же касается пространственных масштабов, то мы действительно находимся где-то в середине шкалы, вследствие чего нам не дано воспринимать в непосредственных ощущениях не очень большие, не очень малые объекты окружающего нас физического мира.

Из протонов и нейтронов образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следует обычные макротела, планеты и их системы, звезды скопления галактик и метагалактик, то есть можно представить переход от микро-, макро- и мега - как в размерах, так и моделях физических процессов.

Большое и малое.

Быть может, эти электроны -
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Еще, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет.
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
Валерий Брюсов

Основная причина, по которой мы разделил физические законы на части, относящиеся к «большому» и «малому», заключается в том, что общие закономерности физических процессов в очень большом и очень малом масштабах представляются весьма различными. Ничто не волнует человека так постоянно и глубоко, как тайны времени и пространства. Цель и смысл познания – понять скрытые механизмы природы и наше место во Вселенной.

Американский астроном Шепли предложил интересную пропорцию:

х в этой пропорции – человек, который является как бы средним геометрическим между звёздами и атомами.

По обе стороны от нас неисчерпаемая бесконечность. Мы не можем познать эволюцию звёзд, не изучая атомное ядро. Нам не может быть ясна роль элементарных частиц во Вселенной без знания эволюции звёзд. Мы стоим как бы на перекрёстке дорог, уходящих в бесконечность. На одной дороге время соизмеримо с возрастом Вселенной, на другой оно измеряется исчезающее малыми промежутками. Но нигде не соизмеримо оно с масштабом человеческой жизни. Человек стремится объяснить Вселенную во всех её подробностях, в пределах познаваемого, приемами и способами, посредством наблюдения, опыта и математического вычисления. Нам необходимы такие понятия и методы исследования, с помощью которых могут быть установлены научные факты. А для установления научных фактов в физике вводится объективная количественная характеристика свойств тел и природных процессов, независящая от субъективных ощущений человека. Введение таких понятий является процессом создания особого языка – языка науки физики. Основу языка физики составляют понятия, называемые физическими величинами. А любая физическая величина должна быть измерена, так как без измерений физических величин нет и физики.

И так, давайте попробуем разобраться, что же такое физическая величина. Физическая величина – физическое свойство материального объекта, физического явления, процесса, которое может быть охарактеризовано количественно. Значение физической величины - число, вектор, характеризующие эту физическую величину, с указанием единицы измерения, на основе которой эти числа или вектор были определены. Размер физической величины - числа, фигурирующие в значении физической величины. Измерить физическую величину – значит сравнить ее с другой величиной, условно принятой за единицу измерения. Русское слово «величина» имеет несколько иной смысл, чем английское слово “quantity“. В Словаре Ожегова (1990) слово “величина“ трактуется как “размер, объем, протяженность предмета“. Согласно интернетовскому словарю слово “величина“ переводится на английский язык в физике 11-ю словами, из которых наиболее подходят по смыслу 4 слова: quantity (физическое явление, свойство), value (значение), amount (количество), size (размер, объём).

Разберемся подробнее в этих определениях. Возьмем, например, такое свойство, как длина. Она действительно применяется для характеристики многих объектов. В механике – это длина пути, в электричестве – длина проводника, в гидравлике – длина трубы, в теплотехнике – толщина стенки радиатора и т.д. Но значение длины у каждого из перечисленных объектов различно. Длина автомобиля равна нескольким метрам, длина рельсового пути или – многим километрам, а толщину стенки радиатора проще оценивать в миллиметрах. Так что это свойство действительно индивидуально для каждого объекта, хотя природа длины во всех перечисленных примерах одна и та же.

Большое и малое в других науках.

В одном мгновенье видеть вечность,

Огромный мир - в зерне песка,

В единой горсти - бесконечность

И небо - в чашечке цветка.

У. Блейк

Литература.

Малое и большое употребляются в качественном значении: маленький или большой рост, маленькая или большая семья, родня. Малое обычно противопоставляется большому (принцип антитезы). Литература: малый жанр (новелла, рассказ, сказка, басня, эссе, очерк)

Существует множество пословиц и поговорок, использующих противопоставление или сравнение малого с большим. Вспомним некоторые из них:

О малых результатах при больших затратах:

• 
  Из большой тучи, да малая капля.
• 
  Стрелять из пушек по воробьям.

• 
  Это ему - как слону дробина (иголка).

• 
  Капля в море.
• 
  Иголка в стоге сена.

• 
  Ложка дёгтя испортит бочку мёда.
• 
  Мышь копной не задавишь.
• 
  Малая оплошность доводит до большой беды.
• 
  Малая течь может погубить большой корабль.
• 
  Из малой искры большой пожар разгорается.
• 
  От копеечной свечи Москва сгорела.
• 
  К апля камень долбит (точит) .

Биология.

«Существо человека содержит все, что есть на небе и на земле, существа высшие и существа низшие».
Каббала

За время существования человечества было предложено множество моделей устройства Вселенной. Существуют различные гипотезы, и каждая из них имеет как своих сторонников, так и противников. В современном мире отсутствует единая, общепризнанная и понятная модель Мироздания. В древнем мире, в отличие от нашего, существовала единая модель окружающего мира. Вселенная представлялась нашим предкам в виде огромного человеческого Тела. Попытаемся понять логику, которой придерживались наши «первобытные» предки:

• 
  Тело состоит из органов
• 
  Органы – из клеток
• 
  Клетки – из органоидов
• 
  Органоиды – из молекул
• 
  Молекулы – из атомов
• 
  Атомы – из элементарных частиц. (Рис. 2).

Различия, конечно есть – их не может не быть. Эти объекты находятся абсолютно в разных условиях. Ученые бьются над созданием Единой теории, но никак не могут соединить в Единое целое Макро и микромиры.

Можно предположит, что если Солнечная система - Атом, тогда наша Галактика – Молекула. Сравните рисунки 5 и 6. Только не пытайтесь отыскать полной схожести этих объектов. В мире нет даже двух одинаковых снежинок. Каждый атом, молекула, органоид, клетка, орган и человек имеет свои индивидуальные особенности. Все процессы, происходящие на уровне молекул органических веществ нашего организма, аналогичны процессам, происходящим на уровне галактик. Различие лишь в размерах этих объектов и в масштабе времени. На уровне галактик все процессы происходят гораздо медленнее.

Следующей «деталью» в этой «конструкции» должен быть Органоид. Что представляют собой органоиды? Это различные по строению, размерам и функциям образования, находящиеся внутри клетки. Состоят они из нескольких десятков или сотен разнообразных молекул. Если органоид в нашей клетке аналогичен Органоиду в макромире, тогда нам следует искать в Космосе скопления различных галактик. Такие скопления действительно имеются, и астрономы называют их группами или семействами галактик. Наша галактика, Млечный путь, входит в Местное семейство галактик, которое включает в себя две подгруппы:
1. Подгруппу Млечного пути (справа)
2. Подгруппу Туманности Андромеды (слева) (Рис. 8).

Не стоит обращать внимание на некоторое несоответствие в пространственном расположении молекул рибосомы (Рис. 8) и галактик в Местной группе (Рис. 9). Молекулы, как и галактики, постоянно перемещаются в определенном объеме. Рибосома является органоидом без оболочки (мембраны), поэтому мы не видим в окружающем нас космическом пространстве «плотной» стены галактик. Впрочем, мы не видим и оболочек Космических Клеток.

Процессы, происходящие в наших органоидах, аналогичны процессам, происходящим в группах и семействах галактик. Но в Космосе они совершаются гораздо медленнее, чем у нас. То, что воспринимается в космосе как Секунда - для нас тянется почти десять наших лет!

Следующим объектом поисков была Космическая Клетка. В нашем теле имеется множество различных по размерам, строению и функциям клеток. Но почти все они имеют нечто общее в своей организации. Они состоят из ядра, цитоплазмы, органоидов и мембраны. Аналогичные образования имеются и в Космосе.

Скоплений галактик, похожих на наше, а также других по форме и размеру – великое множество. Но все они группируются вокруг еще более грандиозного скопления галактик с центром в Созвездии Девы. Именно там находится Ядро Космической Клетки. Астрономы, подобные объединения галактик, называют Сверхскоплениями. На сегодня открыто более пятидесяти таких Сверхскоплений галактик, являющихся такими Клетками. Они располагаются вокруг нашего Сверхскопления галактик - равномерно во все стороны.

За пределы этих соседних Сверхскоплений галактик современные телескопы пока не проникают. Но, используя широко применяемый в древности Закон Аналогии, можно предположить, что все эти Сверхскопления галактик (Клетки) составляют какой-то Орган, а совокупность Органов составляет само Тело.

Именно поэтому многие учёные выдвигают гипотезы, что Вселенная является не только подобием тела человека, но и каждый человек является подобием целой Вселенной.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Научно-техническое творчество молодёжи –

Путь к обществу, основанному на знаниях.
Школьник понимает физический опыт

только тогда хорошо, когда он его делает сам.

Но еще лучше он понимает его, если сам делает

прибор для эксперимента.

П.Л.Капица

Метапредметное учебное занятие "Большое и малое» с использованием интерактивной доски.

Покажи мне – и я запомню.

Дай мне действовать самому – и я научусь.

Китайская народная мудрость
Часто низкая успеваемость объясняется невнимательностью, причина которой – в незаинтересованности ученика. Используя интерактивную доску, у учителей появляется возможность привлечь и успешно использовать внимание класса. Когда на доске появляется текст или изображение, то у ученика стимулируется одновременно несколько видов памяти. Мы можем максимально эффективно организовать постоянную работу учащегося в электронном виде. Это значительно экономит время, стимулирует развитие мыслительной и творческой активности, включает в работу всех учащихся, находящихся в классе.

Интерфейс программы очень прост, поэтому разобраться в ней не составит никакого труда.

Программа состоит из двух частей: вспомогательного материала и сборника заданий для учеников.

В разделе программы

«Вспомогательные материалы»

сможете найти таблицы величин; весы, которые смогут помочь детям разобраться с темой «показатель степени»; снимки и схемы физических тел, похожих по форме, но сильно отличающихся друг от друга по размерам.

В сборнике заданий Вы сможете проверить учащихся на знание темы «Большое и малое». Здесь присутствуют 3 вида заданий: составление таблицы (перемещение строк в ячейки); вопросы, связанные и массами тел (в каком положении установятся весы), упорядочивание величин. Программа может сама проверить правильность выполнения заданий и выдать соответствующее сообщение на экран.

Заключение

Результаты, полученные в ходе выполнения работы , показали, что господство симметрии в природе, прежде всего, объясняется силой тяготения, действующей во всей Вселенной. Действием тяготения или отсутствием такового объясняется то, что и Космические тела, плывущие во Вселенной, и Микроорганизмы, взвешенные в воде, обладают высшей Формой симметрии - сферической (при любом повороте относительно центра фигура совпадает сама с собой). Все организмы, растущие в прикрепленном состоянии или живущие на дне океана, т. е. организмы, для которых направление силы тяжести является решающим, имеют ось симметрии (множество всевозможных поворотов вокруг центра сужается до множества всех поворотов вокруг вертикальной оси). Более того, поскольку эта сила действует повсюду во Вселенной, то и предполагаемые космические пришельцы не могут быть безудержно чудовищами, как их порой изображают, а обязательно должны быть симметричными.

Практической частью нашей работы стала программа «Большое и малое» для метапредметного учебного занятия с использованием интерактивной доски . Используя интерактивную доску, мы можем максимально эффективно организовать постоянную работу учащегося в электронном виде. Это значительно экономит время, стимулирует развитие мыслительной и творческой активности, включает в работу всех учащихся, находящихся в классе.

Работа содержит три приложения : 1) Программу для метапредметного учебного занятия по физике с использованием интерактивной доски; 2) Буклет «Учебное занятия по физике «Большое и малое»; 3) Буклет с уникальными фотографиями «Микро-, макро- и мега- миры» .

Список литературы

1. 
   Ващекин Н.П., Лось В.А., Урсул А.Д. «Концепции современного естествознания», М.: МГУК,2000.
2. 
   Горелов А.А. «Концепции современного естествознания », М.: Высшее образование, 2006.
3. 
   Козлов Ф.В. Справочник по радиационной безопасности.- М.: Энергоатом – издат., 1991.
4. 
   Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П., Экология, М., Издательский дом "Дрофа", 1995.
5. 
   Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Мир, 1999 г.
6. 
   Сивинцев Ю.В. Радиация и человек. - М.: Знание, 1987.
7. 
   Хотунцев Ю.М. Экология и экологическая безопасность. - М.: АСADEMA, 2002.
8. 
   Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр,1998.
9. 
   Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. пособ. для студентов вузов. – М., 2005. – 672 с.
10. 
    Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания - М.: 1997.
11. 
    Квасова И.И. Учебное пособие по курсу "Введение в философию".М., 1990.
12. 
    Лавриенко В.Н. Концепции современного естествознания - М.: ЮНИТИ.
13. 
    Л. Ш и ф ф, Сб. "Новейшие проблемы гравитации", М., 1961.
14. 
    Я. Б. Зельдович, Вопр. космогонии, т. IX, М., 1963.
15. 
    Б. Понтекорво, Я. Смородинский, ЖЭТФ, 41, 239, 1961.
16. 
    Б. Понтекорво, Вопр. космогонии, т. IX, М., 1963.
17. 
    В. Паули, Сб. "Нильс Бор и развитие физики", М., 1958.
18. 
    Р. Иост. Сб. "Теоретическая физика 20 века", М., 1962.
19. 
    Р. Маршак, Э. Судершан, Введение в физику элементарных частиц, М. 1962
20. 
    Е. Горшунова, А. Таразанов, И. Афанасьева «Большое космическое путешествие», 2011

Приложение 1.

Рабочий лист к метапредметному занятию по теме «Большое и малое»

с использованием интерактивной доски
Не огромность мира звёзд вызывает восхищение,

а человек, который измерил его.

Блез Паскаль

Физическая величина - _____________________________________________________

_________________________________________________________________________
Измерить физическую величину - ____________________________________________

__________________________________________________________________________

Приложение 2.

Диапазон временных интервалов во Вселенной

Диапазон масс во Вселенной

Приложение 3.

Рис 2. Строение тела человека

Как говорится - «найдите различия». Дело даже не во внешнем сходстве этих объектов, хотя оно и «на лицо». Раньше мы электроны сравнивали с планетами, а надо было с кометами.

Рис 7. Строение Вселенной.

Рис. 12 Нервная ткань	Рис. 13 Ранняя Солнечная Система
Рис. 14 Фотографии Вселенной с телескопа Hubble	Рис. 15 Этапы развития клетки простейших

Рис. 16 Схематичное изображение клетки	Рис. 17 Строение Земли	Рис.18 Земля

Приложение 4.

ФОТООТЧЁТ

НТТМ ЗАО 2012

Всероссийский Фестиваль науки 2011

Стенд «Микро-, макро- и мега- миры»



«Большое космическое путешествие"




Стенд «Большое космическое путешествие»

Наши буклеты.

В современном естествознании все окружающие нас материальные объекты принять условно делить на микро-, макро– и мегамир. Одна из основных концепций естествознания говорит о единстве всех систем микро-, макро– и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.

Материальные объекты микро-, макро– и мегамира отличаются не только своими геометрическими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, например, Солнце состоит из колоссального числа частиц: 1 056ядер атомов водорода и примерно такого же количества ядер атомов гелия.

Свойства и особенности материальных объектов микро– и мегамира описываются разными теориями, принципами, законами.

При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности и т. п.

Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие. Величина энергии связи природных систем на различных уровнях организации материи зависит от вида взаимодействия и характера сил, объединяющих материальные объекты в систему. Например, существование в течение миллиардов лет звезд, в том числе и Солнца, обусловливается устойчивым равновесием между энергией взаимного гравитационного притяжения частиц, стремящегося сжать вещество звезды, и энергией их теплового движения, приводящего к его рассеиванию. Объединяющую роль в атомах и молекулах играет электромагнитное взаимодействие.

Существенное различие между материальными объектами микро– и макромира заключается в тождественности микрочастиц и индивидуальности мега-систем. Для микрочастиц выполняется принцип тождественности: состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния рассматриваются как одно физическое состояние. Этот квантово-механический принцип характеризует одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности. Однако в природе не существует двух совершенно одинаковых мегасистем – все они индивидуальны. Индивидуальность может проявляться и на молекулярном уровне. Например, молекулы этилового спирта и диме-тилового эфира имеют одинаковые атомный состав и мо-лекулярную массу, но различные химические и физические свойства. Такие вещества называются химическими изомерами. Нестабильные ядерные изомеры при одинаковом составе ядер имеют различные периоды полураспада.

1. ВВЕДЕНИЕ
Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями.
Материя (лат. Materia - вещество), «…философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нас».
Слово «материя» многозначно. В быту им пользуются для обозначения той или иной ткани. Современная астрономия сообщает, что видимая Вселенная насчитывает сотни тысяч звезд, звездных туманностей и других небесных тел. У всех предметов и явлений, несмотря на их разнообразие, есть общая черта: все они существуют вне сознания человека и независимо от него, т.е. являются материальными. Люди открывают все новые и новые свойства природных тел и процессов, производят бесконечное множество несуществующих в природе вещей, следовательно, материя, неисчерпаема.
Материя и ее атрибуты несотворимы и неуничтожимы, существуют вечно и бесконечно разнообразны по форме своих проявлений. Все явления в мире обусловлены естественными материальными связями и взаимодействиями, причинными отношениями и законами природы. В этом смысле в мире нет ничего сверхъестественного и противостоящего материи. Человеческая психика и сознание тоже определяются материальными процессами в мозгу человека и являются высшей формой отражения внешнего мира.

2. ВЗАИМОСВЯЗЬ МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРОВ
Микромир - это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с.
Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.
Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 -18 см., за время - порядка 10 -22 с. В мегамире ученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.
С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 10 39 больше, а взаимодействие между нуклонами - составляющими ядро частицами - в 10 41 раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.
Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.
Говоря о структурности - внутренней расчлененности материального бытия, можно отметить, что сколь бы ни был широк диапазон мировидения науки, он тесно связан с обнаружением все новых и новых структурных образований. Например, если раньше взгляд на Вселенную замыкался Галактикой, затем расширился до системы галактик, то теперь изучается Метагалактика как особая система со специфическими законами, внутренними и внешними взаимодействиями.

3. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ, О ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВЕ КАК ВИДАХ МАТЕРИИ
Материя - фундаментальное понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых мы можем судить благодаря нашим ощущениям. Физика описывает материю как нечто, существующее в пространстве и во времени (в пространстве-времени) - представление, идущее от Ньютона (пространство - вместилище вещей, время - событий); либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени - представление, идущее от Лейбница и, в дальнейшем, нашедшее выражение в Общей Теории Относительности Эйнштейна. Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления.
Материя существует в двух видах - вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности (концепция континуального непрерывного строения материи).
Вещество. Классическое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: газообразном, жидком или твердом. Кроме того, выделяют высокоионизованное состояние вещества (чаще газообразного, но, в широком смысле, любого агрегатного состояния), называемое плазмой.
В химическом отношении все вещества подразделяют на простые и сложные (химические соединения), а также на неорганические и органические вещества.
Поле в физике -- одна из форм материи, характеризующая все точки пространства (или, шире, пространства-времени) и обладающая бесконечным числом степеней свободы. Каждой точке пространства при этом присваивается определённая физическая величина. Эта величина, как правило, меняется при переходе от одной точки к другой. В зависимости от математического вида этой величины выделяют скалярные, векторные, тензорные и спинорные поля.
Также поля делятся в зависимости от своей природы на электромагнитные, гравитационные, магнитное, электрическое и поля ядерных сил. Проявляются поля в виде взаимодействия (переносимого с конечной скоростью) тел (при этом сила взаимодействия определяется различными характеристиками тел: массой для гравитационного поля, зарядом для электромагнитного и т. д.), которые в квантовой физике объясняются передачей специфичных для каждого типа поля частиц (фотонов для электромагнитного, гипотетических гравитонов для гравитационного и т. д.). Долгое время считалось, что поле является только наглядным теоретическим объяснением таких явлений, как световые волны, пока в 1887 Генрих Рудольф Герц не доказал существование электромагнитного поля экспериментально.

4. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ
В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКЕ
Корпускулярно-волновой дуализм - свойство любой микрочастицы обнаруживать признаки частицы (корпускулы) и волны. Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как хорошо локализованные в пространстве материальные объекты (частицы), двигающиеся с определёнными энергиями и импульсами по классическим траекториям, а в других - как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Так электромагнитная волна, рассеиваясь на свободных электронах, ведёт себя как поток отдельных частиц - фотонов, являющихся квантами электромагнитного поля (Комптона эффект), причём импульс фотона даётся формулой р = h/1, где р - длина электромагнитной волны, а h - постоянная Планка. Эта формула сама по себе - свидетельство дуализма. В ней слева - импульс отдельной частицы (фотона), а справа - длина волны фотона.
Дуализм электронов, которые мы привыкли считать частицами, проявляется в том, что при отражении от поверхности монокристалла наблюдается дифракционная картина, что является проявлением волновых свойств электронов. Количественная связь между корпускулярными и волновыми характеристиками электрона та же, что и для фотона: р = h/1 (р - импульс электрона, а h - его длина волны де Бройля).
Корпускулярно-волновой дуализм лежит в основе квантовой физики.

5. СТРУКТУРА АТОМА
С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ
Гипотеза об атомах как неделимых частицах вещества была возрождена в естествознании и прежде всего в физике и химии для объяснения таких эмпирических законов, как законы Бойля -- Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел и различных химических законов. В самом деле, закон Бойля -- Мариотта утверждает, что объем газа обратно пропорционален его давлению, но не объясняет почему. Аналогично этому при нагревании тела его размеры увеличиваются, но эмпирический закон теплового расширения не объясняет причину такого расширения.
Очевидно, что для такого объяснения необходимо выйти за рамки наблюдаемых зависимостей, которые выражаются в эмпирических законах, и обратиться к теоретическим гипотезам и законам. В отличие от эмпирических законов они содержат понятия и величины, относящиеся к ненаблюдаемым объектам. Именно такими объектами являются атомы, а также образованные из них молекулы. С помощью атомов и молекул в кинетической теории вещества убедительно объясняются все перечисленные и другие известные эмпирические законы. В химии атом обычно определяют как наименьшую часть или единицу химического элемента.
Однако попытка сведения всех многообразных и сложных свойств и закономерностей тел и явлений окружающего мира к более простым вряд ли могла считаться успешной, хотя бы потому, что на каждом уровне познания раскрывались новые границы и находились новые неделимые последние частицы материи. Вплоть до конца прошлого века такой частицей считался атом, но крупнейшие открытия в физике привели к отказу от такой точки зрения. Среди этих открытий следует отметить, во-первых, обнаружение явлений естественной радиоактивности таких химических элементов, как радий и уран. Оказалось, что эти элементы в естественных условиях испускают специфические радиоактивные лучи и в результате превращаются в другие химические элементы, а в конечном итоге - свинец. Отсюда непосредственно следовало, что атомы вовсе не являются неизменными, неделимыми и последними кирпичиками мироздания. Вскоре после радиоактивности была открыта мельчайшая частица электричества -- электрон. В 1913 г. Э. Резерфорд, исследуя рассеяние ?- частиц атомами тяжелых элементов, показал, что основная часть массы атома сосредоточена в его центральной части -- ядре, так как вдали от него ? - частицы проходят беспрепятственно. Основываясь на этих экспериментах, он предложил планетарную модель атома, согласно которой вокруг массивного ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны.
Впоследствии эта модель была значительно модифицирована. Оказалось, что электроны не могут вращаться по любым орбитам, а только по стационарным, ибо в противном случае они бы непрерывно излучали энергию и упали бы на ядро, и атом самопроизвольно разрушился. Ничего подобного, однако, не наблюдается, так как атомы являются весьма устойчивыми образованиями. Все эти и связанные с ними революционные открытия невозможно было понять и объяснить с точки зрения старой, классической физики.
После того, когда физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в их исследованиях. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, фундаментальных частиц, которые впоследствии были названы элементарными. Наиболее известными элементарными частицами являются электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны и нейтрино. Позже были открыты частицы с весьма экзотическими названиями: странные частицы, мезоны со скрытым "очарованием ", "очарованные " частицы, ипсилион -частицы, разнообразные резонансные частицы и многие другие. Общее их число превышает 350. Поэтому вряд ли все такие частицы можно назвать подлинно элементарными, не содержащими других элементов. Это убеждение усиливается в связи с гипотезой о существовании кварков, из которых, по предположению, построены все известные элементарные частицы.
Одна из характерных особенностей элементарных частиц состоит в том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Масса большинства из них -- порядка массы протона, т. е. 1,6 х 10 -24г, а размеры порядка 10 -16 см. Другое их свойство заключается в способности рождаться и уничтожаться, т. е. испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Например, превращения пары электрон и позитрон в два фотона: е - + е + -> 2?
Подобные же взаимопревращения происходят и с другими элементарными частицами.

Рис. 2. Структура атома

6. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА
В соответствии с достижениями квантовой физики основополагающим понятием современного атомизма является понятие элементарной частицы, но им присущи такие свойства, которые не имели ничего общего с атомизмом древности.
Развитие физики микромира показало неисчерпаемость свойств элементарных частиц и их взаимодействий. Все частицы, имеющие достаточно большую энергию, способны к взаимопревращениям, но при соблюдении ряда законов сохранения. Число известных элементарных частиц постоянно растет и превышает уже 300 разновидностей, включая неустойчивые резонансные состояния. Важнейшим свойством частицы является ее масса покоя. По этому свойству частицы делятся на 4 группы:
1. Легкие частицы - лептоны (фотон, электрон, позитрон). Фотоны не имеют массы покоя.
2. Частицы средней массы - мезоны (мю-мезон, пи-мезон).
3. Тяжелые частицы - барионы. К ним относятся нуклоны - составные части ядра: протоны и нейтроны. Протон - самый легкий барион.
4. Сверхтяжелые - гипероны. Устойчивых разновидностей немного: фотоны (кванты электромагнитного излучения); гравитоны (гипотетические кванты гравитационного поля); электроны; позитроны (античастицы электронов); протоны и антипротоны; нейтроны; нейтрино - самая загадочная из всех элементарных частиц.
Нейтрино играет большую роль в космических процессах во всей эволюции материи во Вселенной. Время их жизни практически бесконечно. По подсчетам ученых, нейтрино уносят значительную долю излучаемой звездами энергии. Наше Солнце теряет за счет излучения нейтрино примерно 7% энергии, на каждый квадратный сантиметр Земли перпендикулярно солнечным лучам ежесекундно падает примерно 300 миллионов нейтрино. Дальнейшая судьба этого излучения неизвестна, но, очевидно, нейтрино должно вновь включиться в круговорот материи в природе.
Особенностью элементарных частиц является то, что большинство из них могут возникать при столкновении с другими частицами достаточно высокой энергии: протон большой энергии превращается в нейтрон с испусканием пи-мезона. При этом элементарные частицы распадаются на другие: нейтрон - на электрон, протон и антинейтрино, а нейтральный пи-мезон - на два фотона. Пи-мезоны, таким образом, являются квантами ядерного поля, объединяющими нуклоны и ядра.
В ходе развития науки открываются все новые свойства элементарных частиц. Взаимная обусловленность свойств частиц свидетельствует о сложной их природе, наличии многогранных связей и отношений.
У большинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрических зарядов и магнитных моментов: антипротоны, антинейтроны и т.д. Из античастиц могут быть образованы устойчивые атомные ядра и антивещество, подчиняющееся тем же законам движения, что и обычное вещество. В больших количествах антивещество в космосе не обнаружено, поэтому существование «антимира», т.е. галактик из антивещества является проблематичным.
Таким образом, с каждым новым открытием строение микромира уточняется и оказывается все более сложным. Чем глубже мы уходим в него, тем больше новых свойств обнаруживает наука.

7. МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ,
РАЗРАБОТАННЫЕ В СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.
В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае "пустой" Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.
В 1922 г. российский математик и геофизик Л.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.
Решение уравнений А.А. Фридмана, допускает три возможности.:
если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния;
если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и так же неограниченно расширяется;
если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.
По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т.е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер. Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.
В 1929 г. американский астроном Э.П.Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию,- система галактик расширяется.
Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.

8. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ
С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
В качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается решить большинство космологических проблем, современная космология рассматривает сценарий, включающий инфляционную стадию. Инфляция в переводе с латинского - вздутие. Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что и расширение Вселенной и весь последующий ход эволюционного развития рассматриваются из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом. Однако в физическом смысле вакуум не есть пустота, в нем постоянно происходят процессы рождения и уничтожения всевозможных частиц, квантов, полей.
Модель Большого взрыва. Считается, что после того как 15 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, началось постепенное охлаждение и расширение Вселенной. Причины Большого взрыва и перехода к расширению во всех моделях Вселенной считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой физической современной теории. Но если взрыв был, то дальше картина выглядит следующим образом:
1. Через 10 -43 с от начала расширения началось рождение частиц и античастиц.
2. Через 10 -6 с - возникновение протонов и антипротонов и их аннигиляция. Количество протонов на одну стомиллионную часть (10 -8) превышало количество антипротонов, в результате чего после аннигиляции возникло и сохранилось то вещество, из которого возникли все галактики, звезды и планеты. Если бы число протонов было бы равно числу антипротонов, то вещество полностью перешло бы в излучение и невозможно было бы наблюдение Космоса и Земли.
3. Через 1 с после начала расширения стали рождаться и аннигилировать электронно-позитронные пары.
4. Через 1 мин начались ядерный синтез и образование ядер дейтерия и гелия. На долю последних пришлось примерно 30% от массы оставшихся протонов. Образование более тяжелых элементов в рамках этой теории объяснить не удалось, так как не хватило времени для их синтеза в процессе расширения. Эти элементы образуются в последующей эволюции звезд в результате термоядерных реакций в их недрах, а тяжелые элементы синтезируются при взрыве сверхновых и затем выбрасываются в космическое пространство, где они со временем концентрируются в газово-пылевые облака, из которых образуются звезды второго поколения типа Солнца и планеты вокруг них.
Через 300 тыс. лет после Большого взрыва произошло отделение излучения от вещества, Вселенная стала прозрачной, в последующие миллиарды лет стали формироваться галактики, первичные звезды в шаровых скоплениях и звезды второго поколения в спиральных рукавах галактик.

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира.
Все вышеизложенные революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т.д.
В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.
Исходным пунктом всякого системного исследования является представление о целостности, изучаемой системы. Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами.
В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.
В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы - галактики, системы галактик - метагалактику.
В живой природе к структурным уровням организации материи относят системы доклеточного уровня - нуклеиновые кислоты и белки; клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы, и, наконец, биосферу как всю массу живого вещества.
Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта.
Изучение материи и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно в конечном счёте материалистическим или идеалистическим.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной /С.Вайнберг. -М.: Наука, 1981

Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала XIX века до середины XX века 8Я.Г.Дорфман. -М.: Наука, 1979

Мэрион Дж.Б. Физика и физический мир /Дж.Б.Мэрион. -М.: Мир, 1975

Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: курс лекций / Изд. 4-е. - Ростов н/Д: Феникс, 2005

Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть /И.С.Шкловский. -М.: Наука, 1977

Тема 3. Структурные уровни организации материи микро, макро и мега миры.

Лекция 3.

1.Структурные уровни организации материи; микро-, макро- и мегамиры.

1. Структурные уровни организации материи микро, макро и мегамиры.

Все многообразие известных человечеству объектов и свой­ственных им явлений обычно разделяется на три качественно различные области.- микро-, макро- и мегамиры. Предложено (К.Х. Рахматуллиным) выделить еще два уровня - гипомир (микромир в микромире) и гипермир (сверхмегамир). Однако последние два уровня следует считать пока гипотетичными, лишь предсказываемыми теорией, но еще не ставшими эксперимен­тально наблюдаемыми, достоверно установленными.

Еще в начале XX в. немецкий физик М. Планк определил фундаментальные константы - длины (10 -33 см) и времени (10 -44 с), получившие название «планковская длина» и «планковское время». Это более чем в миллиард миллиардов раз меньше размеров атомных ядер (10 -13 см), которые сами на пять порядков (в 10 5 , т.е. в сто тысяч раз) мельче атомов, характеризующихся величинами в 10 -8 см. Считается, что в области планковских масштабов неприменима общая теория относительности и для описания физических процессов здесь необходимо создание квантовой теории гравитации. Это свидетельствует не только о количественном, но и о качественном отличии предполагаемо­го гипомира от надежно установленного микромира - мира атомов и большого семейства (примерно четырехсот) так называемых элементарных частиц - электронов, протонов, нейтронов и др. В области реально, экспериментально изучаемого мира физики фиксируют размеры порядка 10 -16 см (в тысячу раз меньше размеров атомных ядер).

Специфика микромира наиболее ярко отражена в разделах физики, основанных на квантовой механике, в том числе релятивистской, учитывающей одновременно и квантованность, и относительность (релятивность) процессов в микромире, их структурных, пространственно-временных и энергетических характеристик.

Наряду с углублением познания в области микромира (познанием мира «вглубь») для науки XX в. очень характерно стремительное движение познания по линии увеличения размеров изучаемых объектов, т.е. познание мира «вширь». По этой ли­нии наука дополняет познание привычного людям земного макромира, характеризуемого умеренными скоростями и энергиями взаимодействия, познанием мегамира - гигантских по сравнению с земными масштабами звездных скоплений и сверхскоплений. Это мир галактик.

Самым большим объектом, установленным наукой, является Метагалактика, включающая все известные скопления галактик. Размеры ее - порядка 10 28 см. Такое расстояние свет проходит со скоростью 300 000 км/с за 20 миллиардов лет. Некоторые ученые отождествляют Метагалактику со Вселенной в целом, но все больше ученых склоняется к тому, что миров, подобных Метагалактике, во Вселенной множество. Представления о множестве мегамиров и ведут к выделению нового уровня в строении Вселенной - гипермира.

Таким образом, сейчас выделяют 5 уровней материального мира:

Гипомир;

Микромир;

Макромир;

Мегамир;

Гипермир.

Им соответствуют расстояния от 10 -33 см до 10 28 см.

Как видим, исследуемый современной наукой мир охватывает расстояния в диапазоне более чем 60 порядков.

В этих рамках микромир выделяется прежде всего как объект квантовой механики, макромир - как объект классической механики, мегамир - как объект релятивистской механики.

К области макромира относятся те процессы, для которых постоянную Планка (ħ = 6,62 10 -27 эрг с) можно считать бесконечно малой величиной, которой допустимо пренебречь, а скорость света с = 300 000 км/с - бесконечно большой величиной, позволяющей отвлечься от временной длительности передачи сигналов, считать взаимодействия систем мгновенными, как бы безвременными.

При описании мегамира необходимо считаться с релятивистс­кими эффектами - зависимостью размеров объектов, длительности процессов, одновременности или разновременности событий от системы отсчета, искривлением пространства-времени, изменением его геометрии и топологии, размерности.

Макромир.

Макромир описывается механикой Ньютона-Галтлея. Механика Ньютона-Галилея представляет собой синтез различных методологических установок его предшественников.

В Ньютоновской механике рассматривается абсолютное пространство и абсолютное время. Любая вещь считается состоящей из атомов и может быть разложена на свои составляющие. Атом рассматривается как первичный «кирпичик» вещества, который неделим, неизменен, вечен. Атомистическая (корпускулярная) концепция содержит в себе представление о дискретной структуре вещества, ибо наряду с атомами принимает наличие пустоты между ними.

В механики Ньютона -_Галилея выделить три основных момента механистической концепции целого и части:

Целое рассматривается как простое соединение элементов. Возможно разложение, разделение целого на его элементы, то есть редукция сложного к простому;

Элементы целого рассматриваются как неизменяющиеся, простые, неделимые;

Элемент внутри и вне целого один и тот же. Это формирует представление об объекте познания как самостоятельной сущности, с присущими ей характеристиками и свойствами, не зависящими от условий познаний, а тем более от познающего его субъекта.

Бесспорно, под влиянием воздействия на элемент других элементов системы элемент может изменять ряд своих характеристик. Но при этом в классической физике предполагается, что это воздействие является контролируемым и может быть оценено с позиций жесткой причинно-следственной обусловленности результатов воздействия.

Понятие силы Ньютон вводит в качестве абсолютного элемента. Истинное абсолютное движение, в отличие от относительного, «не может ни произойти, ни измениться иначе, как от действия сил, приложенных непосредственно к движущемуся телу». Ньютон дает также динамическую трактовку массы тела как индивидуальной характеристики тела по отношению к нетождественному ему пустому пространству. То есть понятия «силы» и «массы» у Ньютона - это как бы «надпространственные» понятия.

В основе Механики Ньютона лежит принцип относительности Галилея. Принцип относительности Галилея выделяет определенный класс систем отсчета, которые называют инерциальными. Инерциальными являются системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции (Первый, закон Ньютона). Общепринятая формулировка первого закона Ньютона такова: «Существуют системы отсчета, относительно которых всякое тело сохраняет состояние своего движения (состояние покоя или равномерного прямолинейного движения), пока действие всех тел и полей на него компенсировано». Если мы имеем хотя бы одну такую инерциальную систему отсчета, то всякая другая система отсчета, которая движется относительно первой равномерно и прямолинейно, также является инерциальной. Все другие системы отсчета называются неинерциальными.

В соответствии с принцип относительности Галилея: «Во всех инерциальных системах отсчета все физические явления происходят одинаково».

Тот факт, что ускорения тел относительно обеих инерциальных систем отсчета одинаковы, позволяет сделать вывод о том, что законы механики, определяющие причинно-следственные связи движения тел, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. И это составляет суть принципа относительности Галилея.

Беря производные по времени от кинематических параметров, можно рассматривать изменения этих величин за бесконечно маленькие промежутки времени. При этом представлялось само собой разумеющимся, что эти бесконечно маленькие промежутки времени, равно как и любые промежутки времени, одинаковы в обеих системах отсчета.

Преобразования Галилея отражают наше обыденное представление об инвариантности (неизменности) пространственных и временных масштабов при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую.

В механике Ньютона -_Галилея, понятие состояния физической системы является центральным элементом, также как в во всякой физической теории. Понятие состояния физической системы - основная задача классической механики. Оно подразумевает совокупность данных, характеризующих особенность рассматриваемого объекта или системы в данный момент времени. Оказывается, что для описания поведения какого-либо объекта одних только законов природы недостаточно, важно знать также начальные условия, описывающие состояние данного объекта в начальный момент времени. По словам великого математика Ю. Вигнера, «именно в четком разделении законов природы и начальных условий и состоит удивитель­ное открытие ньютоновского века».

Состояние физической системы - это конкретная опреде­ленность системы, однозначно детерминирующая ее эволюцию во времени. Для задания состояния системы необходи­мо: 1) определить совокупность физических величин, описывающих данное явление и характеризующих состояние системы, - параметры состояния системы; 2) выделить начальные условия рассматриваемой системы (зафиксировать значения параметров состояния в начальный момент времени); 3) применить законы движения, описывающие эволюцию системы.

Параметрами, характеризующими состояния механистической системы, являются совокупность всех координат и импульсов материальных точек, составляющих эту систему. Задать состояние механической системы, значит, указать все координаты и импульсы всех материальных точек. Основная задача динамики состоит в том, чтобы, зная начальное состояние системы и законы движения (законы Ньютона), однозначно определить состояние системы во все последующие моменты времени, то есть однозначно определить траектории движения частиц. Траектории движения получаются путем интегрирования дифференциальных уравнений движения и дают полное описание поведения частиц в прошлом, настоящем и будущем, то есть характеризуются свойствами детерминированности и обратимости. Здесь полностью исключается элемент случайности, все заранее жестко причинно-следственно обусловлено. Считается, что задать начальные условия можно абсолютно точно. Точное знание начального состояния системы и законов движения ее предопределяет попадание системы в заранее выбранное, «нужное» состояние.

Понятие причинности в классической физике связывается со строгим детерминизмом в лапласовском духе -фундаментальный принцип, провозглашенный Лапласом, и вошедший в науку в связи с этим принципом образ, именуемый «демоном Лапласа»: «Мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего. Ум, который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, и относительное положение всех составляющих ее сущностей, если бы он еще был столь обширен, чтобы ввести в расчет все эти данные, охватил бы одной и той же формулой движения крупнейших тел Вселенной и легчайших атомов. Ничто не было бы для него недостоверным, и будущее, как и прошедшее, стояло бы перед его глазами». Тем самым, трансдисциплинарной концепцией естествознания в классический период его развития становится представление о том, что только динамические законы полностью отражают причинность в природе. С философской точки зрения можно сказать, что в динамических теориях нет места взаимопревращению необходимости и случайности. Случайность понимается как некая досадная помеха в получении истинного результата, а не как необходимость, проявленная в дей­ствительности.

В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоянии, и взаимодействие происходит мгновенно. Именно эта мгновенность передачи взаимодействий и обуславливает ненужность какой-либо среды и утверждает принцип дальнодействия.

Механик Ньютона -_Галилея использует математику как язык физической науки.

Микромир.

Атомы. Атом представляет собой целостную ядерно-электронную систему. Ядро является основой атома, определяющей как численный состав электронов в атоме, так и всю его внутреннюю структуру. Если на этапе образования атома главную роль играют индивидуальные свойства ядра и электронов, то поведение электронов в составе атома в первую очередь обусловле­но характеристикой их квантовых состояний, распределением электронов по энергетическим уровням, подуровням и отдель­ным «ячейкам» или «орбитам», в каждой из которых может находиться не более двух электронов.

Молекулы. Молекулы - это очередной после атомов качественный уро вень строения и эволюции вещества. Подчеркивая целостность молекул, органическое единство их составных частей, современное естествознание характеризует движение молекул как движение самостоятельных и целостных систем, а не как простую сумму разрозненных движений отдельных образующих их частиц (атомов, ядер и электронов). Те взаимодействия молекул, которые не сопровождаются изменением их структуры (т.е. определенного порядка химических связей между атомами внутри молекул), изучаются физикой и называются физическими. Взаимодействия же молекул, приводящие к их качественным взаимопревращениям, перестройке их внутренних связей, называются химическими и изучаются химией.

Так же, как в случае атомов, химическое поведение молекул является их индивидуальной характеристикой, специфически обусловлено их составом и структурой.

Мегамир.

Звезды. Звезды в обычном стационарном состоянии раскаленные газовые шарообразные небесные тела, находящиеся и гидродинамическом и теп­ловом равновесии. Гидродинамическое равновесие обеспечивается равенством сил тяготении и сил внутреннего давления, дей­ствующих на каждый элемент массы звезды. Тепловое равновесие соответствует равенсву энергии, выделяемой из недр звезды, и энергии, излучаемой с её поверхности. 3веды, кроме ближайшей – Солнца, находятся на столь боль­ших расстояниях от Земли, что даже в самые сильные телескопы видны как светящиеся точки различной яркости и цве­та. Основной видимой характеристика звезд является её блеск, который определяется мощностью излу­чения звезды и расстоянием до неё. Основными параметрами состояния звезд являются светимость, масса и радиус. Их численные значения принято выра­жать в солнечных единицах.

3везды по состоянию вещества в недрах раз­деляют па три главные группы: 1)нормальные, гидростатическое равновесие которых поддерживается дав­лением классической идеальной плаз­мы, существующей благодаря термической ионизации атомов, 2) белые кар­лики, 3) нейтронные

Основной источник излучения звезд является реакция термоядерного синтеза. После выгорания водорода в центре, сжатия ядра и по­вышения его темпуры становится возможным, при достаточно большой массе звезды, горение всё более тяжёлых элементов. Большую часть своей жизни звезда находятся в стационарном состоянии. Равновесность звезд при непрерывной потере энергии обус­ловлена сильным различием времени протекающих в них про­цессов. Нарушение механического равновесия, например снижение давления в звезде, приводит к ее сжатию и превращению части гравитационной энергии в теплоту.

Звезды весьма различны по их видимому блику. Этот признак стал основополагающим при разделении звезд на классы.

3везды возникают в результате конденсации межзвёздных пыли и газа, богатого водородом. Затем следует долгая стадия эволюции звезды.

Звезды, возникшие из одного газопылевого облака, об­разуют звездные скопления. Различают шаровые звездные скопления, состоящие из старых звезд, и рассеянные скопления, состоящие из молодых звезд (с возрастом менее 60 млн лет). Шаровые скопления находятся в цент­рах галактик, а рассеянные - на периферии.

Поскольку звезды удалены от Земли на огромные расстояния, на небосводе они выглядят как неподвижные объекты. Поэтому могут быть использованы как способ ориентации в пространстве. Для удобства запоминания и использования звезды объединены в 88 созвездий. Среди них 12 созвездий называются зодиакальными. Зодиак - пояс зверей. С Земли кажется, что Солнце, дви­гаясь на фоне звезд, проходит через эти созвездия в течение года.

Все звезды в созвездиях имеют наименования по буквам греческого алфавита и названию созвездия. Наиболее яркая называется альфа, вторая по яркости - бета, третья - гамма и т. д. Иногда звезды получают персональные имена, в первую очередь это относится к самым ярким звездам - Сириусу, Канопусу, Арктуру, Ригелю, Бетельгейзе, Антаресу и др.

Галактики. Галактики это гигантские звездные системы. Звездная система, в составе которой как рядовая звезда находится наше Солнце, называется Галактикой.

Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны. Э. Хаббл избрал самый простой метод классификации галактик по внешнему виду, и нужно сказать, что хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остается основой классификации галактик.

Хаббл предложил разделить все галактики на три основных вида:

1.Эллиптические (Е - elliptical).

2.Спиральные (S - spiral).

3.Неправильные (I - irregular).

Эллиптические галактики. Эллиптические галактики внешне самый невыразительный тип галактик. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с общим падением яркости по мере удаления от центра к периферии. Падение яркости описывается простым математическим законом, который открыл Хаббл. На языке астрономов это звучит так: эллиптические галактики имеют концентрические эллиптические изофоты, т. е. если соединить одной линией все точки изображения галактики с одинаковой яркостью и построить такие линии для разных значений яркости (аналогично линиям постоянной высоты на топографических картах), то мы получим ряд вложенных друг в друга эллипсов примерно одинаковой формы и с общим центром.

Эллиптические галактики состоят из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень высокой светлости. В них отсутствуют бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи, которая, в тех галактиках где она имеется, создает темные полосы, оттеняющие форму звездной системы. Поэтому внешне эллиптические галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой - большим или меньшим сжатием.

Спиральные галактики. Спиральные галактики это может быть самые живописные объекты во Вселенной и, в отличие от эллиптических галактик, являют собой пример динамичности формы. Их красивые ветви, выходящие из центрального ядра и как бы теряющие очертания за пределами галактики, указывают на мощное, стремительное движение.

Неправильные галактики. Рассмотренные выше типы галактик характеризовались симметричностью формы и определенным характером рисунка. Но встречается большое число галактик неправильной формы, без какой-либо общей закономерности структурного строения. Это так называемые неправильные галактики, обозначаемые Irr.

Неправильная форма у галактики может быть вследствие того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста, а также возможно искажение формы галактики вызвано вследствие ее взаимодействия с другой галактикой.

Метагалактика. В 1981 году было сообщено об открытии огромной области пространства размером со сверхскопление, почти лишенной как отдельных галактик, так и их скоплений. Открывшие эту область астрономы назвали ее "пустотой" и обратили внимание на то, что космологи должны уметь объяснять отсутствие галактик так же, как и их наличие. Сейчас известно еще несколько пустот, крупнейшая из которых имеет размер 2 млрд. на 1 млрд. световых лет. Вместе с этими открытиями пришло понимание того, что галактики - это не просто объекты, которые иногда собираются в скопления. Вместе этого оказалось, что, по крайней мере, в некоторых частях Вселенной, галактики образуют сеть с большими пустотами в промежутках между ними.

Метагалактикой является объединение (скопление) галактик примерно такого порядка, каким для звезд нашей системы является Галактика. Следует предположить существование и других метагалактик.

Эволюция Метагалактики, галактик и отдельных звезд. На протяжении XX столетия трудами А Фридмана, А. Эйн­штейна, Э. Хаббла, Ж. Леметра, ГА. Гамова и других исследователей разработана концепция, согласно которой Метагалактика находится в процессе расширения, разбегания галактик от какого-то первичного центра, в котором и зародилась наша Вселенная. Что предшествовало ей"- трудно сказать. Предполагается, что современная Вселенная произошла из ма­терии, находящейся в особом чрезвычайно раскаленном, сверхплотном состоянии. Примерно 15-20 млрд лет назад этот сгусток материи, этот «первоатом» в силу еще неясных причин как бы взорвался и стал быстро расширяться с резким падением температуры. В ходе этого процесса расширения Метагалактики, продолжающегося до сих пор, и сложилась та ее структура, которая наблюдается в настоящее время.

Теория расширяющейся Вселенной основана на истолкова­нии экспериментально зафиксированного красного смещения спектральных линий галактик как следствия эффекта Допплера, объясняющего красное смещение разбеганием галактик. Однако такое истолкование не единственное, за последние де­сятилетия все больше накапливается сомнений в реальности расширения Вселенной. Эволюция космических систем несо­мненна, но следует различать объективные законы эволюции и теоретические выражения их с помощью различных моделей. В частности, явление красного смещения линий спектра мо­жет быть объяснено как следствие уменьшения энергии и соб­ственной частоты фотонов в результате взаимодействия с гра­витационными полями при движении света в течение многих миллионов лет в межгалактическом пространстве.

Эволюцию претерпевают все космические объекты - звез­ды, планеты, галактики. Сейчас известно, что обычные звез­ды в ходе претерпеваемых изменений превращаются в так на­зываемые «белые карлики», «нейтронные звезды» и «черные дыры» рассмотренные выше.

Образование звезд имеет следующие этапы:

1.На первом этапе существует газопылевое облако, в котором частички газа и пыли начинают притягиваться друг к другу.

2.В процессе этого притяжения облако начинает разогреваться.

3. При достижении температуры в ядре звезды в 10 млн градусов Цельсия начинается термоядерная реакция. Водород превращается в гелий, что сопровождается излучением во всех частях спектра. Благодаря этому излучению звезда становится звездой, т. е. видимым космическим объектом.

После начала термоядерной реакции звезда проходит следующие этапы существования:

нормальные, или желтые, звезды. Находятся на этапе выгорания водорода. По мере выгорания водорода формируется гелиевое ядро, которое отделено от водородной оболочки зоной конвекции и излучения;

сверхгигант, или красный гигант. Гелиевое ядро звезды сжимается, а размеры звезды значительно увеличиваются за счет того, что водородная оболочка удаляется от ядра. Масса красного гиганта начинает сокращаться не только из-за горения водорода, но и из-за потерь ве­щества на внешней оболочке звезды;

белый карлик. Внешний слой истощается, рассеи­вается в космическом пространстве, и от звезды остается только горячее гелиевое ядро. Гравитационное сжатие ядра продолжается. Первоначально поверхность белого -карлика имеет очень большую температуру (до десятков тысяч градусов), но затем быстро остывает. Диаметр белого карлика составляет лишь 5-10 тыс. км, т. е. сравним с диаметром Земли;

нейтронная звезда. Продолжающееся сжатие ядра и ускорение вращения вокруг своей оси приводят к уплот­нению и схлопыванию атомов. Электроны соединяются с протонами, и образуются нейтроны. Белый карлик пре­вращается в нейтронную звезду. Размер такой звезды составляет лишь несколько десятков километров (диаметр г. Москвы), скорость вращения вокруг оси - несколько сотен оборотов в минуту. Колоссальная плотность нейтронной звезды приводит к такому искривлению пространства вокруг нее, что вещество звезды стремится к сжатию в точку;

черная дыра. Концентрация массы в пространстве достигает такой степени, что в одной чайной ложке оказа­лось бы 100 млн метрических тонн вещества. Все объекты и излучения, находящиеся в зоне гравитационного действия черной дыры, стремятся к ней. Размер черной дыры составляет 2-3 км; конечная стадия существования черных дыр -взрыв и рассеивание вещества. На этой стадии существование звезды можно считать окончательно завершенным. Скорость прохождения звездой перечисленных эта­пов существования зависит от ее размеров. Большие звезды проходят все перечисленные этапы быстрее.

Концепции мегамира.

Принцип несотворимости и неучтожимости материи.

С давних времен известно, что из ничего ничего не возникает. Любой объект может возникнуть лишь из других объектов. Абсолютной пустоты как полного отсутствия материи не существует. Если отсутствует вещество, то существует поле, если отсутствует поле, то существует его физический вакуум. Под вакуумом современная физика понимает особое состояние материи, а не абсолютное «ничто». Например, вакуумом элект­ромагнитного поля называют такое его состояние, в котором нет фотонов. Поэтому когда физики говорят о возможности возникновения вещества из вакуума, это не значит, что речь идет о возникновении вещества из пустоты. Встречающиеся рассуждения о том, что во Вселенной в какую-то единицу времени якобы из «ничего» возникает какое-то количество вещества, могут означать лишь то, что речь идет о возникновении известного вещества из какого-то другого, еще не установлен­ного вида материи.

Свое всестороннее выражение принцип несотворимости и неуничтожимости материи и ее атрибутов находит в физических законах сохранения. Растет число частных законов сохранения отдельных характеристик физических форм движения. В начале XX в. были известны законы сохранения массы, энер­гии, электрического заряда, импульса, момента импульса. Ныне к ним прибавились законы сохранения четности, стран­ности, барионного и лептонного зарядов и другие. С открыти­ем каждого закона сохранения неразрывно связано появление нового фундаментального свойства материи. Характерной осо­бенностью законов сохранения является То, что они могут вы­ражаться в форме ограничений или даже категорических запре­тов, означающих невозможность протекания тех или иных про­цессов в определенных условиях.