История открытия Солнечной системы.

Веками укоренившееся мнение Птолемея о неподвижной Земле как центре Вселенной, разделяемое церковью, долго не уступало места гелиоцентрическому учению Коперника. Считалось, что система Коперника лишь гипотеза, предназначенная для вычисления планетных движений.

Окончательно утвердил теорию Коперника, получив непреложные доказательства ее истинности, итальянский физик и астроном Г. Галилей.

В 1609 г. Галилей направил изготовленный им маленький 32-кратный телескоп на Луну, Венеру, Юпитер и Сатурн и сделал ряд поразительных для того времени открытий. На Луне он увидел горы и кратеры, он обнаружил диски у планет и открыл 4 спутника Юпитера, которые, обращаясь вокруг планеты, представляли уменьшенную копию планетной системы. Обнаруженная им смена фаз Венеры свидетельствовала о том, что Венера обращается вокруг Солнца, а не Земли. На самом Солнце Галилей обнаружил пятна.

И только тогда, когда гелиоцентрическая система получила столь блестящие подтверждения, католическая церковь приняла меры к ее запрету, считая, что она подрывает авторитет Священного Писания. В 1616 г. учение Коперника было запрещено декретом инквизиции, книга его была внесена «впредь до исправления» в «Индекс (список) запрещенных книг» и оставалась под запретом до 1828 г.

И только после переизбрания Папы в 1630 г. Галилей смог изложить учение Коперника. Его «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой» вышел в 1632 г. и даже вначале получил апробацию церковных властей и разрешение на выпуск в свет, но сразу же - в 1633 г. - был сурово осужден инквизицией за отстаивание учения Коперника.

В начале XVII в. современник Галилея немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630), изучив материалы многолетних и очень точных наблюдений знаменитого датского астронома Тихо Браге (1546-1601), которые тот накопил за 21 год, но который не признавал гелиоцентрической системы, открыл три закона движения планет, названные его именем.

В конце XVII в. английский ученый И. Ньютон сформулировал законы механики и Закон всемирного тяготения. Эти законы легли в основу небесной механики, исследующей движение тел Солнечной системы. И. Ньютон пришел к выводу, что устройство планетной системы не может быть результатом случайного стечения обстоятельств.

Голландский ученый Х. Гюйгенс за несколько недель до смерти в 1695 г. завершил свой научный труд «Косотеорос», в котором утвердил мысль о единстве состава и природных сил во всем космосе.

В течение всей своей научной деятельности М. В. Ломоносов мужественно выступал в защиту передовых идей своего времени, утверждая материальное единство мира на основе корпускулярной (фактически атомистической) теории.

Ровесник и современник М.В.Ломоносова, один из крупнейших натуралистов XVIII в. Жорж Луи Леклерк, граф Бюффон (1707-1788) в 1745 г. высказал гипотезу, что планеты - возникли из сгустков солнечного вещества, исторгнутых из Солнца ударом огромной кометы (в то время кометы считались массивными телами). Земля же первоначально находилась в раскаленном состоянии, а затем медленно остывала. Бюффон ставил опыты с раскаленными шарами и заключил, что Земле потребовалось бы для охлаждения примерно 75 тысяч лет.

Выдающийся немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) в 1755 г. опубликовал книгу «Общая естественная история и теория неба», в которой изложил свою космогоническую гипотезу. Согласно этой гипотезе Солнце в далеком прошлом когда-то было окутано туманностью, состоящей из частиц, движущихся вокруг Солнца в разных направлениях. Мировое пространство заполнено "инертной, бесформенной и неупорядоченной" материей, которая "стремится преобразоваться в более организованную путем естественного развития". В течение определенного времени, вследствие столкновения частиц между собой, произошло упорядочение этого движения, и туманность стала вращаться вокруг Солнца. Из этой вращающейся туманности возникли впоследствии планеты. Совокупное действие ньютоновского притяжения и сил отталкивания, которые ему пришлось ввести, привели Канта к мысли о возможности зарождения в хаосе круговых движений, поэтому и орбиты планет почти круговые, и вращаются они в одну сторону. Образовавшись из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежной силой. Сила отталкивания не была определена Кантом, но он привел пример силы отталкивания между кометными хвостами, состоящими из очень разреженной материи. Ему удалось представить структуру Вселенной, которую не предполагал и Ньютон: Вселенная есть иерархия самогравитирующих систем. Не имея данных о массах и расстояниях в космосе, Кант заключил, что все системы должны иметь сходную структуру и в первом приближении описываться как пары взаимодействующих через тяготение масс.

Впоследствии небулярную гипотезу поддержали и развили У. Гершель и Лаплас.

Исследуя галактические туманности, У. Гершель сформулировал гипотезу об образовании звезд при медленном сгущении рассеянной газовой материи, из которой состоят открытые им многочисленные неправильные галактические туманности.

Знаменитый французский математик Пьер Лаплас (1749-1827) независимо от Канта предложил свою космогоническую гипотезу, близкую к гипотезе Канта. Лаплас в своей книге "Изложение системы мира" (1796) изложил гипотезу об образовании солнечной системы. Он воображал первичное Солнце звездой огромных размеров, превышающих радиус орбиты Юпитера. При медленном вращении этой материи происходили охлаждение и конденсация. По мере сжатия скорость вращения возрастала вследствие сохранения момента количества движения, тогда как центробежная сила в области экватора росла, и в этой области от первичного Солнца должно было отделиться газовое кольцо. Так, по Лапласу, из отделяющихся от первичного Солнца колец материи образовались планеты. Каждое кольцо разрывалось на несколько масс, конденсирующихся потом в планету. Спутники планет образовались из газовых колец, отделенных уже самими планетами.

Гипотеза Лапласа, выросшая из идей Канта, получила наименование небулярной гипотезы Канта-Лапласа и оставалась первой ротационной гипотезой о возникновении солнечной системы вплоть до конца прошлого века. Однако она не объясняла больших размеров орбит внешних планет-гигантов и медленности вращения Солнца, а также не отвечала на вопрос, почему момент количества планет почти в 29 раз больше момента количества Солнца, если солнечная система изолирована.

Так появились катастрофические гипотезы, которые не получили широкого распространения за исключением гипотезы Дж. Джинса-Г. Джеффриса. По Джинсу и Джеффрису, первичное Солнце некогда встретилось со звездой. При этом сближении, произошедшем на расстояниях порядка величины их диаметров, под приливным воздействием Солнце выбросило огромную сигарообразную струю вещества в сторону проходящей звезды. Из этой струи в результате ее разделения и последующей конденсации образовались планеты. Сначала орбиты образовавшихся планет были сильно вытянутыми, но из-за огромного сопротивления пылевой среды между двумя звездами постепенно приближались к круговым. Недостатком гипотезы Джинса была уникальность образования планетной системы, поскольку близкое прохождение звезд, почти столкновение их, столь редкое явление, что может случиться раз в 10¹⁷ лет.

В 1935 г. Ресселл подсчитал момент количества движения приблизившейся к Солнцу звезды (он оказался на порядок меньше среднего момента количества движения планет по современным данным). Ему пришлось ввести еще одно предположение: Солнце в прошлом было двойной звездой, спутник Солнца вращался от него на расстоянии, примерно равном радиусу орбиты Урана или Нептуна, какая-то внешняя звезда столкнулась с ним, отбросила его за пределы солнечной системы и удалилась сама.

Астроном и физик Н. Н. Парийский (р. 1900) рассчитал разнообразные возможности такого хода событий при разных скоростях сгустка, вырванного из Солнца, и оказалось, что только при скоростях от 400 до 500 км/с возможно получить орбиты для планет, но все они очень малы для нашей системы. Тем не менее, Джинс заложил основы теории гравитационной неустойчивости, которые дали ростки в последующих гипотезах.

Английский астрофизик У.Мак-Кри рассмотрел процессы гравитационной конденсации околозвездной туманности размером до двух световых лет и проанализировал ее возможную эволюцию при неоднородной плотности. Эту идею он использовал для объяснения происхождения Солнечной системы, он так же в 1963 г. удачно подразделил все предложенные космогонические гипотезы на три класса:

1. Гипотезы, согласно которым Солнце полностью завершило свое образование, а вещество планет произошло непосредственно от выброса материи Солнца под воздействием внешних факторов;

2. Гипотезы, согласно которым Солнце и планеты сформировались одновременно из вращающейся туманности, которую часто называют облаком или небулой (лат. nebula "туман, облако"); образование планет рассматривается как результат эволюции этого облака;

3. Гипотезы, согласно которым Солнце полностью образовалось раньше планет, но планетное вещество было захвачено из межзвездных облаков или другого источника, после чего образовалась газово-пылевая туманность. Из этой туманности впоследствии возникли планеты.

В конце XIX в. появилась гипотеза американских ученых Ф. Мультона и Т. Чемберлена, предполагавшая образование планет из мелких твердых частиц, названных ими «планетезималями». Они считали, что обращающиеся вокруг Солнца планетезимали могли возникнуть путем застывания вещества, выброшенного из Солнца в виде протуберанцев, в результате близкого прохождения или даже касательного столкновения Солнца с другой звездой. Однако такое образование планетезималей противоречит закону сохранения момента количества движения.

Идея об образовании звезд и планет путем сгущения туманного вещества сохранилась до сих пор. После крушения гипотезы Джинса в 40-х годах XX столетия ученые вернулись к классическим идеям Канта и Лапласа, но в отличие от их чисто механических теорий сейчас учитываются эффекты, связанные с наличием магнитного поля и корпускулярного излучения Солнца. Наряду с этими гипотезами высказаны гипотезы о захвате вещества уже сформировавшимся Солнцем.

Развитие планетной космогонии в нашей стране связано главным образом с деятельностью двух крупных ученых-академиков В.Г.Фесенковым (1899-1972) и О.Ю.Шмидтом (1891-1956).

Академик Василий Григорьевич Фесенков в 1943-1960 гг. от чисто механических объяснений образования планет обратился к процессам, происходящим внутри Солнца. Для него процесс образования планет происходил во время перехода от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому, что определялось, прежде всего, температурными условиями. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам русского ученого математика и механика Александра Михайловича Ляпунова (1857-1918) , и английского астронома и математика Джорджа Дарвина (1845-1912), сына Ч.Дарвина. Они рассчитали фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Фесенков обратил внимание на важную роль в формировании первичных вихрей-планет конвекционных токов вещества и протопланетной туманности и разработал теорию изменения вращательного момента звезды в результате истечения из нее массы вещества. Применив эту теорию к Солнцу, ученый отмечал, что первичное Солнце должно быть окруженным газово-пылевой средой в виде плоского диффузионного облака, уплотненного в средней части. Ныне существующие планеты образовались из этого облака, и сохраняют часть его вращательного момента. Сгущения в отдельных частях протопланетного диска привели к образованию планет.

Гипотеза Фесенкова связала жизнь в солнечной системе в единое целое и избавила теорию планетообразования от внешних случайных факторов.

О.Ю.Шмидт и его ближайшие сотрудники Б.Ю.Левин и В.С.Сафронов приняли точку зрения о совместном образовании Солнца и околосолнечной газово-пылевой среды. За время существования облака происходил процесс оседания пыли в экваториальной плоскости Солнца, при этом самые большие пылинки успевали вырасти до сантиметровых размеров. Железные частицы, в отличие от каменных, чаще объединялись при столкновениях и быстрее образовывали тонкий диск, создавая предпосылки для образования планет.

Весь процесс рассматривался состоящим из двух стадий - образования «промежуточных» тел с относительно небольшими размерами в сотни километров, а затем уже из них аккумулировались планеты. Рост планет земной группы прекратился тогда, когда они вобрали в себя все твердое вещество. Луна, вероятно, образовалась либо как отрыв части Земли (гипотеза Джорджа Дарвина), либо была сформирована, как и другие планеты, путем аккумуляции промежуточных тел на ранней стадии формирования Земли.

Академик Отто Юльевич Шмидт отказался от изолированности солнечной системы и посчитал, что если "обратиться к ее движению в Галактике, то отпадет затруднение с моментом количества движения, так как Солнце могло захватить из Галактики материю, обладающую достаточным моментом". Считая, что на Землю падает примерно 1 т метеоритов за сутки, он вычислил, что для "вырастания" нашей планеты таким путем было бы необходимо около 7 млрд.. лет, тогда как согласно геологическим данным возраст земной коры составлял 3 млрд.. лет. Что же, кора может быть моложе внутренних областей планеты! При образовании планет из метеоритов, по гипотезе Шмидта, стало преобладать какое-то направление вращения, и все планеты начали двигаться в одну сторону. Кроме того, все орбиты становились симметричными по всем направлениям, их эксцентриситеты приближались к нулю, и орбиты становились почти круговыми (причем это сильнее сказывалось на более массивных планетах). Расчеты Шмидта показали уменьшение периода вращения Солнца до 20 суток, тогда как он равен сейчас 25 суткам, что считается хорошим результатом.

И так наиболее признанной в настоящее время является концепция О.Ю.Шмидта, согласно которой планетная система образовалась из огромного уплощенного газопылевого протопланетного облака, некогда окружавшего Солнце (вопрос о происхождении самого облака не рассматривался). Земля и родственные ей планеты от Меркурия до Марса аккумулировались из твердых тел и частиц, а при аккумуляции гигантов, по крайней мере, Юпитера и Сатурна, содержащих в основном водород, участвовал наряду и твердыми телами также и газ.

Вайцзекер в 1943 г. выдвинул физическую теорию турбулентностей, согласно которой планеты возникли из сильно сплюснутой газовой туманности, вращающейся вокруг Солнца.

Английский физик Ф. Хойл в 1944 г. предложил гипотезу о формировании планет из горячего звездного газа, а в 1960 г. он же предложил гипотезу о формировании планет из холодного межзвездного вещества. Он же известен в космогонии как автор идеи о возможности переноса момента количества движения от Солнца к планетам электромагнитным путем. Подобная идея была выдвинута и шведским физиком и астрофизиком X. Альфвеном.

Американский астроном Дж.П.Койпер предположил, что Солнце образовалось в очень плотном облаке и что при этом осталась туманность в форме диска радиусом в несколько десятков астрономических единиц, которая вращалась вокруг Солнца и из которой в дальнейшем сформировались планеты.

Исследуя движения звезд, английский астроном Вильям Гершель в 1783 г. пришел к выводу о движении Солнечной системы в пространстве. Для проведения наблюдений за прохождением Венеры по диску Солнца в 1761, 1769, 1874 и 1882 гг. снаряжались многочисленные экспедиции, что дало возможность позже получить первые, близкие к современным, данные о значении расстояния от Земли до Солнца.

Пополнялись данные и о составе Солнечной системы. В 1781 г. они пополнились открытием В. Гершелем Урана, в 1846 г. - Нептуна, который был открыт французским астрономом Урбеном Леверье «на кончике пера» - по «неправильностям» в движениим планеты Уран. В 1930 г. была открыта самая удаленная от Солнца планета Плутон. Эта планета была открыта американским любителем астрономии К. Томбо, руководствовавшимся теоретическими предсказаниями П. Ловелла, предвычислившего еще в 1591 г. движение неизвестной планеты по возмущениям в движении Урана. В 1801 г. итальянским астрономом Дж. Пиацци была открыта первая малая планета, а к 60-м годам XX в. стало известно о существовании 1700 таких планет, среди которых имеются весьма близко подходящие к Земле.

Особый интерес представляют кометы - «хвостатые звезды», первые сведения, о которых известны еще из древних китайских хроник. В соответствии с учением Аристотеля в Европе считали, что кометы возникают и движутся в атмосфере Земли, что это земные пары, поднявшиеся вверх и загоревшиеся от приближения к «сфере огня», причем их хвосты - это пламя, гонимое ветром.

В настоящее время установлено, что в пределах Солнечной системы обращаются многие миллиарды комет, но вопрос об их происхождении остаётся открытым.

Первый шаг в познанании химической истории планет Солнечной системы при их возникновении был сделан выдающимся американским ученым лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Юри (1893-1981) в 1952 г. в книге «Планеты, их происхождение и развитие». Он допустил, что Земля возникла из почти однородной смеси силикатов и металлического железа путем аккреции (аккумуляции) планетезималий, в разной степени растерявших летучие вещества при относительно низких температурах. В настоящее время установлено, что Солнечная система - система небесных тел состоит из Солнца, центрального тела солнечной системы, 9 планет, обращающихся вокруг него, пояса астероидов (малых планет числом около 40.000), 34 спутников планет, обращающихся вокруг планет, комет, метеорных тел (движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц), космической пыли, магнитных и электрических полей, исходящих из Солнца и планет, и потоков элементарных заряженных и электрически нейтральных частиц.

Экспериментальные исследования происхождения планет

В области планетной космогонии особое значение имеет выяснение природы планетарных туманностей, начатое еще У. Гершелем. Оказалось, что они возникают из отделившихся наружных оболочек красных гигантов, в то время как ядра этих звезд достаточно быстро, по космическим масштабам, превращаются в белые карлики. Эти чрезвычайно плотные маленькие звезды были известны давно, но только в последнюю четверть века стало ясно, как они "вызревают", по выражению Шкловского, внутри "нормальных" звезд при их эволюции.

Использование ЭВМ позволило рассчитывать эволюцию разных моделей при разных начальных условиях.

При определенных значениях массы, плотности и температуры такой комплекс начинает сжиматься, возникающие неоднородности разрывают его на фрагменты, из которых при дальнейшем сжатии и образуются протозвезды. Наше Солнце стало протозвездой около 5 млрд.. лет назад. Центробежные силы выделяли экваториальную область, в ней возникали неустойчивые нестационарные потоки в газе и пыли, и часть этого вещества была оторвана от самого Солнца, унеся с собой избыточный момент количества движения. Так образовался газопылевой диск в экваториальной плоскости Солнца. Этот диск рос, и в нем возникали условия для рождения планет. Во вращающемся и сжимающемся фрагменте, потерявшем часть вещества на образование диска, увеличивалась температура, росло давление, что препятствовало дальнейшему сжатию. Во внешних слоях пошли бурные процессы, вызывающие огромные токи в ионизованном газе и сильные магнитные поля. Когда температура достигла 10 млн. К, пошли термоядерные реакции, и "загорелось" наше Солнце. На этот процесс потребовалось почти 100 млн. лет.

Протопланетное облако к этому времени представляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выгоняя солнечным ветром более легкие элементы в более дальние части кольца, где они "замерзали" (Т = 50 К). Так происходило образование двух групп планет. Планеты земной группы образовались примерно за те же 100 млн. лет.

В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью. Это привело к неоднородности протекания химических процессов, которая усиливалась давлением солнечного излучения и корпускулярной радиации Солнца. В результате в разных частях протопланетного облака возникали неоднородности, что потом отразилось на составе образовавшихся планет. Химическая эволюция протекала тоже по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их соединения, потом - летучие. Аккумуляция конденсатов в планеты и метеоритные тела началась еще до завершения процессов конденсации.

Агломерация твердых частиц и жидких капель в планетные тела связана, вероятно, с появлением первых конденсатов железа. Сгущение высокотемпературной фракции конденсатов вело к образованию ядер планет, обогащенных железоникелевым сплавом. Вокруг них оседали магнезиально-силикатные породы, которые образовали первичные мантии. Более поздние конденсаты - гидратированные силикаты, органические вещества и летучие соединения. Так формировались первичные планеты земной группы.

Исследование образцов лунного грунта показало, что в период своего формирования Луна была разогрета до 1000 К.. Видимо, это связано с обильным падением на нее огромного числа метеоритов, что отражает и ее поверхность. Анализ структуры кристаллических пород приводит к выводу, что они когда-то были полностью расплавлены, а потом подверглись очень быстрому охлаждению. Присутствие базальтов свидетельствует об активной вулканической деятельности, которая почти прекратилась около 3 млрд.. лет назад. Возраст пород находится в пределах 3,23-4,65 млрд.. лет, т. е. Луна, образовалась почти одновременно с Землей.

В некотором смысле Галилей оказался провидцем, когда назвал обширные темные территории на Луне морями: когда-то лава вытекала через отверстия в коре и затапливала эти участки. Истечение лавы происходило почти 1 млрд.. лет, об этом стало известно из исследования лунных пород. Странно, что ее материал содержит сильно повышенное количество тугоплавких литофильных элементов и очень малое число летучих. Происхождение Луны весьма загадочно. Похоже, что она образовалась вблизи Солнца за счет самых ранних дометаллических конденсатов при высоких температурах.

Странными оказались аномалии магнитного поля, которые сильно менялись от точки к точке. При изучении его со спутников было получено значение, которое меньше земного в 1000 раз. Относительно образования нашего спутника существуют несколько гипотез. Одна из них основана на уже упоминавшейся теории Джинса и Ляпунова - Земля вращалась очень быстро и сбросила часть своего вещества. Другая основана на захвате Землей пролетавшего небесного тела. Сейчас наиболее правдоподобной считается гипотеза столкновения Земли с планетой, примерно в половину меньше ее (типа Марса), происшедшего под большим, "скользящим" углом, в результате которого образовалось огромное кольцо из обломков (железное ядро Земли при этом не пострадало), что и составило основу для Луны (железа на Луне очень мало).

Планеты-гиганты образовывались дольше. За 100 млн. лет сформировались их ядра, потом они аккумулировали газ окружающего пространства и образовали свои протяженные атмосферы. Начальные температуры планет-гигантов были высоки (у Юпитера - до 5000 К, у Сатурна - до 2000 К), что обеспечивалось распадом короткоживущих радиоактивных элементов и интенсивным падением метеоритов. Формирование более дальних планет происходило еще медленнее. Сейчас обсуждается гипотеза об ином образовании планет внешней группы: они являются остывшими маленькими звездами, и остыли давно, вероятно, когда Солнце еще только начинало свою звездную жизнь.

Использование космических аппаратов сильно изменило наши представления о межзвездной среде и ее взаимодействии с планетами. Непосредственно изучалось влияние солнечной активности на процессы в межпланетном пространстве. Солнечный ветер - вытекающий из солнечной короны сверхзвуковой поток водородной плазмы - несмотря на свою низкую плотность (порядка 10 частиц в 1 см³) вызывает мощные возмущения вблизи планет. Около планет, обладающих сильным магнитным полем, образованы магнитосферы. До полетов считалось, что магнитосферы имеют Юпитер и Земля. Еще с 1955 г. по радиоастрономическим наблюдениям было известно, что Юпитер обладает нетепловым излучением в дециметровом и декаметровом диапазонах, при этом источником первого (при частотах, больших 200 Мгц) служит тороидальная область диаметром вдвое большим диаметра самой планеты. Радиоизлучение Юпитера является синхротронным излучением релятивистских электронов, которые движутся по спиральным траекториям в магнитном поле планеты. Оказалось, что магнитосфера Юпитера является источником космических лучей, и, по некоторым предположениям, контролирует часть потоков этих лучей низких энергий.

Если магнитное поле Земли останавливает солнечный ветер на расстоянии, примерно равном 10 радиусам Земли, то "Пионер-10" пересек границу магнитосферы Юпитера на расстоянии почти 100 его радиусов. На таком расстоянии давление потока солнечного ветра в 25 раз меньше, чем около Земли, а магнитный момент Юпитера превышает земной в 10 тысяч раз, поэтому ожидалось, что это расстояние будет намного дальше. Кроме того, магнитосфера Юпитера оказалась подверженной сжатию под действием давления со стороны солнечного ветра. Было установлено, что магнитная ось Юпитера наклонена на 10°, поэтому здесь северный магнитный полюс, в отличие от земного, расположен в северном полушарии.

Выявлено несколько периодично возникающих аномалий, что не соответствует модели магнитодиска. Хвост магнитосферы тянется на 400 радиусов планеты, или на несколько расстояний от Земли до Солнца. Суждения и модели развития, которые строятся на базе этого нового материала, весьма различны. Имеются данные об особенностях магнитосферы Юпитера, которые считали присущими нейтронным звездам, или радиопульсарам. Эти особенности позволят лучше понять механизмы ускорения заряженных частиц и излучения волн в астрофизических масштабах.

Что касается спутников больших планет, то они повторяли их путь. До последнего времени о спутниках планет-гигантов практически ничего не было известно, кроме параметров орбиты и спектров, полученных с поверхности, хотя на самом деле они представляют собой целые миры со своей историей. О спутниках Юпитера и Сатурна обширные данные были получены с космических аппаратов "Пионер" и "Вояджер", которые передали на Землю великолепные изображения спутников, видимых с Земли слабыми пятнышками. В конце 80-х годов "Вояджер-2" провел аналогичное обследование и самых дальних объектов нашей солнечной системы. Особенно детально исследован спутник Юпитера Ио. Малые планеты и кометы считаются образованными из вещества протопланетного облака, не вошедшего в планеты и их спутники.

Процесс образования каждой из планет солнечной системы имел свои особенности. Около 5 млрд.. лет на расстоянии 1 а. е. = 150 млн. км от Солнца зародилась наша планета. При падении на нее астероидо-подобных тел вещество нагревалось и дробилось. Первичное вещество сжималось под действием тяготения, принимало форму шара, недра которого разогревались. Происходили процессы перемешивания, шли химические реакции, более легкие силикатные породы выдавливались из глубины на поверхность и образовывали земную кору, тяжелые - оставались внутри. Разогревание сопровождалось бурной вулканической деятельностью, при этом пары и газы вырывались наружу. У планет земной группы сначала не было атмосфер, как нет их сейчас на Меркурии и Луне. В процессе вулканической деятельности рождалась земная атмосфера, а водяные пары конденсировались в океанах.

Возможно, что обилие воды на поверхности Земли (по сравнению с близкой по массе Венерой) вызвано именно тем колоссальным столкновением протопланет, которое привело к образованию Луны. Образование океанов не прекращается на Земле до сих пор, хотя это уже не интенсивный процесс. Обновляется земная кора (причем не только силами естественного происхождения!), вулканы выбрасывают в атмосферу огромные количества углекислоты и водяных паров. Первичная атмосфера Земли сильно отличалась от современной: она была значительно более плотной и состояла в основном из углекислого газа. Резкое изменение состава атмосферы произошло примерно 2 млрд.. лет назад и связано с зарождением жизни. Растения каменноугольного периода в истории Земли поглотили большую часть углекислого газа и насытили атмосферу кислородом. Последние 200 млн. лет состав земной атмосферы практически остается неизменным.

Солнце и Луна вызывают не только приливы в водной оболочке Земли. Под их влиянием даже твердая Земля несколько удлиняется - до 30 см. Земля в свою очередь тоже вытягивает Луну - на 40 см. Взаимное расположение Солнца и Луны меняет величину приливов. Если приливные действия Солнца и Луны складываются (во время полнолуния или новолуния), то приливы на Земле большие и называются сизигийными (греч. syzygikt "соединение, пара"), если они действуют под прямым углом, когда Луна находится в первой или третьей четверти, то приливы существенно меньше и называются квадратурными.

Из-за приливных сил возникает сила трения, замедляющая вращение Земли вокруг оси, т. е. удлиняющая наши сутки. На это впервые (1754) указал Кант и даже попытался оценить такое замедление вращения. Этими оценками впоследствии воспользовался в своей космогонической гипотезе Дж. Дарвин. Удлинение суток составляет 0,002 с. за столетие, его можно обнаружить по рубцам на теле некоторых кораллов. Прирост меняется в течение года, каждому году соответствует своя полоска, как кольцам на срезе дерева. Изучая ископаемые кораллы, возраст которых составляет 400 млн. лет, геологи обнаружили, что в те далекие времена год состоял из 400 суток, каждые сутки - из 22 часов. По окаменелостям более древних форм было установлено, что 2 млрд.. лет назад сутки составляли всего 10 часов.

Из-за приливных сил Луна обращена к Земле одной стороной, ее период вращения вокруг своей оси сравнялся с ее "годом" Почти в той же ситуации оказался и Меркурий: его сутки равны 59 земным, и он успевает всего три раза обернуться вокруг своей оси за два оборота вокруг Солнца, т. е. за свои сутки проходит 2/3 своего годового пути. На Венере вращение происходит тоже медленно. Существует гипотеза, что Меркурий и Венера раньше вращались по одной орбите.

Венера вращается медленнее и в противоположную сторону, кроме того, у нее ось вращения почти перпендикулярна плоскости ее орбиты.

Оказывается, планеты земной группы вращаются как твердые тела, тогда как скорости вращений планет-гигантов зависят от широты и, видимо, от глубины. Все эти кинематические особенности планет сказываются на их внутренней динамике и связаны с эволюцией планеты.

Закон сохранения энергии. Принцип возрастания энтропии.

Закон сохранения энергии в макроскопических процессах

Энергией называется единая мера различных форм движения. Энергия проявляется во множестве различных форм. Энергия приводит в движение автомобиль, обогревает дома, дает возможность производить всевозможные изделия, добывать необходимые полезные ископаемые, изготавливать удобрения и т. д. Кусочек шоколада, булка хлеба и другие продукты питания обладают энергией. Весной все вокруг зеленеет и расцветает, и это тоже следствие того, что растения потребляют солнечную энергию. Все живое вокруг обязательно должно потреблять энергию, чтобы жить.

Собственно, само понятие энергии было выработано именно в поисках связей между различными формами движения материи. Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. Оказывается, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется. То есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии - закон, управляющий всеми явлениями природы, исключений из него науке неизвестно.

В структуру физической теории понятие энергии вошло лишь к середине XIX века.

Термин «ενεργεια» в качестве физического понятия встречается у Аристотеля. Аристотель был первым античным философом, создавшим понятийный аппарат для определения того, что есть движение. Само представление о превращениях различных видов движения, о неуничтожимости движения содержится и в древней мифологии, и в философии Древней Греции и Востока. Идея о неуничтожимости и несотворимости движения возродилась в Новое время и стала принимать более определенные, научные формы в XVII веке.

В связи с изучением механического движения и формирования механистической исследовательской программы мысль о неуничтожимости и несотворимости движения была первоначально сведена к представлению о несотворимости и неуничтожимости именно механического движения

Термин «энергия» в смысле динамической переменной появился лишь в 1807 году в работе Юнга «Курс лекций по натуральной философии».

Усилиями ученых XVII-XIX веков были открыты и качественно исследованы связи между:

механическим движением и теплотой;

химическими явлениями и электричеством;

механическим движением и электричеством;

электричеством и магнетизмом;

химическими явлениями и теплотой;

теплотой и электричеством и т. д.

Результаты этих исследований и привели к открытию закона сохранения и превращения энергии. Этот закон применительно к механическим процессам звучит следующим образом: полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной. То есть всякое изменение потенциальной и кинетический энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. В случае механического движения передача энергии происходит в форме работы в процессе силового взаимодействия тел.

Механическая энергия при трении растрачивается, в результате происходит превращение механической энергии в другие формы движения. Граф Румфорд (Бенджамин Томсон) ссылался на опыты по выделению теплоты при трении.

Опыты Румфорда были подтверждены также работами Хэмфри Дэви, показавшими, что трение двух кусков льда друг о друга может вызвать их таяние.

Для выработки закона сохранения и превращения энергии не менее важными явились исследования обратных процессов по превращению теплоты в работу, то есть по исследованию функционирования тепловых машин.

Принято считать, что первая паровая машина была изобретена греческим ученым и математиком Героном. Это так называемая эолипил (греч. - ветряной шар) Герона.

По существу, развитие тепловых машин связано с изготовлением орудий войны - ракет и пушек. Другой важной причиной возникновения и практического применения паровых машин послужила необходимость добычи топлива - каменного угля из шахт, находящихся под водными пластами. Нужно было откачивать воду из шахт. И так получилось, что деятельность первых конструкторов тепловых устройств была связана с добычей топлива.

Действительная эпоха паровых машин начинается с машины Уатта. Машина Уатта изобретена в 1763 году шотландским механиком Джеймсом Уаттом. Основная идея Уатта заключалась в уменьшении потерь тепла в машине за счет попеременного нагревания и охлаждения цилиндра. В том же 1763 году русским изобретателем К И. Ползуновым, работавшим механиком на алтайских горнорудных и металлургических заводах, была изобретена первая паровая машина непрерывного действия.

К 1827 году был сделан вывод о том, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую. Для торжества кинетической точки зрения важно было установить механический эквивалент теплоты. Строго количественное соотношение для случая превращения механической работы в теплоту было впервые определено немецким врачом Робертом Майером.

Майер определил, что количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы газа на один градус, совершаемое при постоянном давлении, всегда больше, чем количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус при постоянном объеме. Нагревание при постоянном давлении отличается от нагревания при постоянном объеме тем, что изменение объема газа при расширении сопровождается толканием поршня, то есть совершением работы. Если нагревание при постоянном объеме идет только на увеличение внутренней энергии газа, то нагревание при постоянном давлении, помимо такого же увеличения внутренней энергии газа, сопровождается также совершением механической работы. Этот результат Майер вычислил в 1841 году. А в 1845 году в работе «Органическое движение в связи с обменом веществ» он впервые дает формулировку закона сохранения и превращения энергии. Правда, он употребляет другую терминологию, используя понятия «сила движения», «сила падения», «химическая сила», «теплота», «электричество» и т. д. Сейчас мы заменили бы слово «сила» словом «энергия». «Сила как причина движения является неразрушимым объектом, никакое действие не возникает без причины. Никакая причина не исчезнет без соответствующего ей действия... Количественная неизменность данного есть верховный закон природы... Различные силы могут превращаться друг в друга. Эта сила в вечной смене циркулирует как в мертвой, так и в живой природе». «При всех физических и химических процессах данная сила остается постоянной величиной». Таким образом, Майер определил механический эквивалент теплоты, определил теплоту как «силу» движения и сформулировал закон сохранения и превращения «сил». Однако при определении механического эквивалента теплоты он не точно проделал расчет. И важное место в истории развития науки о тепловых явлениях заняли результаты опытов Джоуля, которые были проделаны с такой тщательностью, что оказали убедительное воздействие на умы современников, сломив, в конце концов, их сопротивление. Опыт Джоуля состоял в том, что опускающийся груз вращал лопатку, погруженную в различные жидкости. В результате жидкость перемешивалась, что приводило к увеличению температуры смеси, которую Джоуль измерял термометром. Сопоставляя значение механической работы опускающегося груза с количеством теплоты, необходимой для нагревания смеси жидкостей на соответствующую температуру, Джоуль очень точно определил значение механического эквивалента теплоты.

Честь открытия механической теории тепла с Майером и Джоулем разделяет также датский инженер Кольдинг, поставивший эксперимент по измерению теплоты, выделяющейся при движении тел с различной скоростью по металлическим, деревянным и прочим поверхностям вследствие трения.

Цикл открытий 40-х годов XIX века был в известной мере подкреплен работой Германа Гельмгольца «О сохранении силы», вышедшей в 1847 году. Герман Гельмгольц, немецкий врач и естествоиспытатель, впоследствии стал одним из выдающихся физиков XIX века. В своей работе Г. Гельмгольц придает принципу сохранения строгую и четкую форму. Он вводит новую количественную характеристику, которая равна работе по величине, но берется с противоположным знаком. Эта характеристика соответствует современному понятию потенциальной энергии.

Майер придавал закону сохранения не просто немеханический характер, в отличие от Гельмгольца, сформулировавшего, по существу, закон сохранения механической энергии, но и распространил его как на «мертвую» (включающую физические и химические процессы), так и на «живую» природу. Однако строгая формулировка Гельмгольца позволяла выйти за рамки механики и придать впоследствии закону сохранения универсальный характер.

Работами Майера, Джоуля, Кольдинга и Гельмгольца был выработан «закон сохранения сил». Тем не менее, первая ясная формулировка этого закона была получена Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), которые внесли наиболее значительный вклад в развитие термодинамики. Сади Карно положил начало новому методу рассмотрения превращения теплоты и работы друг в друга в макроскопических системах, в первую очередь, в тепловых машинах, и тем самым явился основателем науки, которая впоследствии была названа Уильямом Томсоном «термодинамикой». Термодинамическое рассмотрение ограничивается, в основном, изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие формы, не интересуясь вопросом микроскопического движения частиц, составляющих веществ.

История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух направлениях: термодинамическом, изучающем тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества, и молекулярно-кинетическом. Молекулярно-кинетическая теория характеризуется рассмотрением различных макропроявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название - статистическая физика. Оформившись к середине XIX века, оба эти направления, подходя к рассмотрению изменения состояния вещества с различных точек зрения, дополняют друг друга, образуя одно целое.

До тех пор, пока Клаузиус и Томсон, исследуя более подробно работу тепловой машины Карно, не пришли к выводу (независимо друг от друга) о том, что в основе цикла Карно лежат два независимых принципа - первое и второе начала термодинамики, нельзя было с твердой уверенностью принять закон сохранения энергии. По существу, работы Джоуля, Майера и Кольдинга устанавливают первое начало термодинамики. Клаузиус первым высказал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики и записал уравнение, которое не содержалось в работе Карно. Надо было сделать вывод о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус называл «теплом, содержащимся в теле» (U), в отличие от «тепла», сообщенного телу» (Q). Величину U можно увеличить двумя эквивалентными способами - произведя над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q):

AU = A + Q.

В 1860 году Уильям Томсон, заменив термином «энергия» устаревший термин «силы», записывает первое начало термодинамики, которое он называет «основным положением механической теплоты»: количество теплоты, сообщенное газу, = увеличению внутренней энергии газа + совершению внешней работы.

Следует еще раз подчеркнуть важное значение установления эквивалентности теплоты и работы. Именно понимание количества теплоты как меры изменения внутренней энергии способствовало установлению закона сохранения и превращения энергии.

Итак, на протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Принцип этот гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Исключений из закона сохранения энергии не существует. Историками науки открытие закона сохранения и превращения энергии рассматривается как первая революция в физике.

Принцип возрастания энтропии

Принцип возрастания энтропии составляет сущность II начала термодинамики. II начало термодинамики, в общем-то, хорошо известно и понятно каждому человеку, ибо с ним каждый из нас сталкивается буквально на каждом шагу. Правда, первоначальная формулировка его еще не содержала понятия энтропии.

Существует точка зрения, что первая формулировка II закона термодинамики принадлежит Жану-Батисту Жозефу Фурье, префекту Изера, которому в 1811 году была присуждена премия французской Академии наук за математическую теорию распространения тепла. Фурье сформулировал закон теплопроводности, согласно которому количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления, прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления. Причем, что характерно, количество теплоты переносится от тел с большей температурой в направлении к телам с меньшей температурой. Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор, пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы не станет одинаково.

Понятие энтропии

В 1865 году Клаузиус ввел новое понятие «энтропия» (entropia - от греч. «поворот», «превращение»). Клаузис посчитал, что существует некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты ∆Q, то энтропия S возрастает на величину, равную

∆S = ∆Q/T.

В течение длительного времени ученые не делали различий между такими понятиями, как температура и теплота. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует различать. Так, при таянии льда теплота расходуется, а температура льда не изменяется в процессе плавления. После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает граница четкого различения таких понятий, как теплота и температура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющейся величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии. В то же время введенная Клаузиусом энтропия оказалась величиной, сохраняющейся в обратимых процессах. Это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.

В случае обратимых процессов ∆S ₌ 0,

то есть S = const - энтропия изолированной системы в случае обратимых процессов постоянна.

При необратимых процессах получаем закон возрастания энтропии:

∆S > 0.

Для того чтобы осуществить обратимый процесс, необходимо, добиться очень медленного расширения или сжатия рабочего тела, чтобы изменения системы представляли собой последовательность равновесных состояний. В таком цикле совершение какой-либо полезной работы потребует бесконечно большого времени. Чтобы получить работу в короткие промежутки времени, то есть хорошую мощность, приходится нарушать условия идеального цикла. А это сразу приведет к неодинаковости температуры на разных участках системы, к потокам тепла от более горячих участков к менее горячим, то есть к возрастанию энтропии системы.

Для описания термодинамических процессов I начала термодинамики оказывается недостаточно, ибо I начало термодинамики не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Тот факт, что энтропия изолированной системы не может убывать, а только возрастает и достигает максимального значения в равновесном состоянии, является отражением того, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении - в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.

Существуют различные формулировки II начала термодинамики. Все они являются эквивалентными. Приведем некоторые из них:

1. Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

В природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении - в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.

2. КПД любой тепловой машины всегда меньше 100 %, то есть, невозможен вечный двигатель (перпетуум-мобиле) II рода (так как невозможно построить тепловую машину, работающую не за счет перепада теплоты, а за счет теплоты одного нагревателя).

КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.

3. Энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система, предоставленная самой себе, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна (∆S > 0).