2.11. На чём основаны способы определения возраста различных структурных уровней мегамира (планет, звезд, Вселенной)?
Проблема определения возраста объектов материального мира раньше была предметом дискуссий. Но в наше время уже не вызывают споров величины, полученные с помощью современных методов.
Так, ВОЗРАСТ ВСЕЛЕННОЙ был определен по свойствам так называемого РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (п.п. 4.11, 4.12) и оценивается в 12–16 миллиардов лет. Под этой величиной понимается время с начала расширения Вселенной (время от так называемого «Большого взрыва» – п. 4.12).
ВОЗРАСТ ЗВЕЗД определяется ПО ИЗМЕНЕНИЮ СООТНОШЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ (от железа и выше) и ЛЕГКИХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ в ходе термоядерных реакций. Все звезды имеют однотипный жизненный цикл. Метод оценки их возраста основан на законе радиоактивного распада, по которому соотношение исходных (тяжелых) и конечных (легких) изотопов является функцией времени от начала термоядерной реакции (т.е., от времени «рождения» звезды). Именно в результате взрывов Сверхновых звезд, согласно космологическим моделям, происходит распространение химических элементов во Вселенной.
Похожий принцип используется ПРИ ОЦЕНКЕ ВОЗРАСТА ПЛАНЕТ (включая Землю) ПО ИЗОТОПНОМУ СОСТАВУ ГОРНЫХ ПОРОД и метеоритов. При этом, чем выше период полураспада изотопа, тем более длительные промежутки времени можно оценить.
2.12. В теории самоорганизации существуют понятия о флуктуациях, бифуркациях и диссипативных структурах. Что означают эти понятия?
Теория самоорганизации изучает, как и почему из хаоса возникают сложные, упорядоченные системы. САМООРГАНИЗАЦИЯ — ФУНДАМЕНТАЛЬНОЕ ПОНЯТИЕ, обозначающее образование более сложных и упорядоченных форм организации из менее сложных объектов. Этот процесс происходит не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы.
Пример самоорганизации в микромире: из кварков (гипотетических субэлементарных частиц) образуются элементарные частицы (например, протон представляется как сочетание кварков «uud»), протоны в свою очередь входят в состав атомов (атом простейшего элемента – водорода состоит из протона p+ и электрона е–), а из атомов в свою очередь образуются молекулы веществ (Рис. 1).
Рис. 1. Пример самоорганизации в микромире [91]
Разработкой теории самоорганизации занимаются:
термодинамика неравновесных (открытых) систем;
синергетика (п. 1.10);
теория катастроф.
ТЕОРИЯ БИФУРКАЦИЙ (разветвлений) показывает, как возникают новые решения при критическом значении параметров. Момент перехода (катастрофический скачок) зависит от свойств системы и уровня ФЛУКТУАЦИЙ – малых случайных движений элементов (которые также понимаются как случайные отклонения от положения равновесия). Это в частности объясняет тот факт, что в момент бифуркации состояния системы возможно не одно, а множество вариантов дальнейшего развития объекта. Таким образом, природа ограничивает наши возможности точного прогнозирования развития. Система некоторое время пребывает в критическом состоянии, переход из которого осуществляется скачком (Рис. 2).
Рис. 2. Механический аналог точки бифуркации [91]
Рассмотрим тело, плывущее точно посередине реки. Оно с равной вероятностью может направиться по правому или левому рукаву относительно точки волнореза под действием случайных сил. Выбор решения системой происходит в критической точке кр.
Самоорганизация не связана с особым классом материальных объектов, но она существует лишь в системах, удовлетворяющих условиям:
открытые системы (п. 2.7), находящиеся в состоянии обмена энергией, веществом и информацией с окружающей средой;
макроскопические системы, описываемые нелинейными уравнениями.
Неравновесные процессы протекают С ВОЗНИКНОВЕНИЕМ ОСОБЫХ УПОРЯДОЧЕННЫХ (ДИССИПАТИВНЫХ) СТРУКТУР. Такие структуры являются устойчивыми, и их устойчивость зависит от устойчивости внешнего источника энергии.
К диссипативным относится любая упорядоченная неравновесная структура, возникающая в результате самоорганизации (например, любой ПРАВИЛЬНЫЙ КРИСТАЛЛ, возникающий при охлаждении жидкости, или любой ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ).