физика лекции по оптике. Курс лекций по физике ч волновая и квантовая оптика Строение атома и ядра Красноярск 2011 Волновая оптика 2
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
10.19 Солнце, жизнь и хлорофилл Средняя мощность излучения Солнца на уровне Земли равна 160 Вт на 1 м 2 Большая часть этой энергии (99,9 %) поглощается почвой, расходуется на ветры, на испарение воды, грозы и все то, что связано с погодой. И только 0,1 % лучистой энергии Солнца ( 10 14 Вт) накапливается растениями в процессе фотосинтеза органических веществ из углекислого газа и воды. Из всей энергии фотосинтеза 10 % ( 10 13 Вт, приходится на пашню, луга, и примерно половину этой энергии ( 5 10 12 Вт) потребляет на свои нужды человек. Трудами многих ученых установлено, что под лучами Солнца в зеленых листьях деревьев и растений происходит превращение углекислого газа и воды в сахар и древесину, которое сопровождается выделением кислорода. Человек и весь животный мирна земле полностью зависит от этого процесса мы дышим кислородом воздуха, едим хлеб, испеченный из злаков, пьем молоко, принесенное с пастбищ. Космическая роль растений и деревьев огромна. Это они способны улавливать энергию солнечного излучения и превращать ее в химическую энергию органических соединений, необходимых для поддержания жизни. Парижские аптекари Пельтье и Каванту выделили из растений хлорофилл, который составляет основу в сложной цепи превращений воды и углекислого газа в крахмал. Русский ботаник МС. Цвет установил, что существует не один, а два хлорофилла. Немецкий биохимик нашел их состав голубовато-зеленый хлорофилла состоит из 137 атомов С 55 Н 72 N 4 O 5 Mg, а желтовато-зеленый хлорофилл b - из 136 атомов С 55 Н 70 N 4 O 6 Mg. Структура хлорофилла состоит из последовательности, в которой атомы соединены между собой, является близкой к структуре гема - основной части гемоглобина крови живых существ. Только вместо атома железа, из-за которого гемоглобин окрашен в красный цвет, в центре молекулы хлорофилла помещен атом магния, придающий ему зеленый цвет. Химическая процесс фотосинтеза довольно прост молекула воды НО соединяется с молекулой углекислого газа СО, освобождая при этом молекулу кислорода ОНО+ СОСН 2О+О2 5 эВ. Образуется строительный блок СН 2 О, который входит в состав многих органических соединений. Например, глюкоза С 6 Н 12 О 6 или (СН 2 О) 6 состоит из 6 таких блоков. Такая перестройка атомов требует затраты энергии 3,32 эВ для разрыва связей между водородом и кислородом в молекуле воды и еще 1,68 эВ - на отрыв атома кислорода от молекулы СО, который затем образует молекулу кислорода с атомом кислорода из молекулы воды НО. Энергию зеленые листья растений и деревьев черпают из потока квантов солнечного света. Каждая химическая связь образуется парой электронов, поэтому при разрыве двух связей водород-кислород и образовании двух новых связей водород-углерод Волновая оптика 253 необходимо переместить 4 электрона. Для этого необходимо 8 квантов красного цвета, те. по два кванта на каждый электрон. В связи с этим истинное уравнение фотосинтеза имеет вид СО + НО + 8h СН 2 О + О 2 Энергия красного кванта с длиной волны 7 10 7 м равна 1,8 эВ, а суммарная энергия 8 квантов -14,4 эВ. Одна треть этой энергии ( 5 эВ) запасается в виде энергии химических связей в молекулах глюкозы. Когда мы дышим, то молекулы кислорода, захваченные гемоглобином, в присутствии ферментов соединяются с молекулами глюкозы в обратном процессе СН 2 О + О СО + НО, освобождая при этом энергию солнечного луча, запасенную хлорофиллом, которая, в конечном итоге, и сохраняет нашу жизнь. Однако это непросто химическая реакция, а сложный биохимический процесс, включающий в себя несколько стадий и десятки других разнообразных реакций. В листьях растений молекулы хлорофилла размером 10 10 м упакованы в специальные структуры - хлоропласты, представляющие собой чешуйки диаметром 10 5 ми толщиной 10 6 м. Они покрыты оболочкой, имеют сложный внутренний состав, в который входит до 10 различных разновидностей хлорофилла и более 200 других соединений. В хлоропластах молекулы хлорофилла образуют ячейки по 300 молекул в каждой и вместе с другими пигментами, назначение которых - улавливать свети передавать его энергию на реакционный центр (Р) ячейки. Предполагается, что этот реакционный центр представляет собой две молекулы хлорофилла а, которые объединены с молекулами пигмента, и поглощают красный свет с длиной волны 7 10 7 м. Энергии этих квантов ( 1,8 эВ) достаточно, чтобы оторвать электрон от хлорофилла аи передать его, по цепочке промежуточных соединений, к месту объединения молекулы углерода с протонами разрушенной молекулы воды. За одну секунду реакционный центр может переработать до 50 квантов света, те. обеспечить синтез одной молекулы глюкозы и выделить 6 молекул кислорода. Как установлено, существует два реакционных центров фотосистема I (Р) и фотосистема В фотосистеме I при удалении электрона из хлорофилла а происходит синтез промежуточных непрочных соединений, в которых запасается поглощенная хлорофиллом а энергия квантов. Среди этих соединений следует отметить сложное соединение С 10 Н 16 О 13 N 5 P 3 - аденозинтрифосфат (АТР), которое является универсальным аккумулятором энергии во всех живых организмах. Фотосистема II имеет реакционный центр Р, который поглощает красные лучи с длиной волны 6,8 10 7 м, использует их энергию для отрыва электронов от некоторой системы S, которая является белковым комплексом, содержащим атом марганца. Отдавая последовательно 4 электрона, он становится катализатором, в присутствии которого молекулы воды расщепляются на водород и кислород. Обе стадии фотосинтеза, приводящие к образованию АТР и расщеплению воды, очень кратковременны 10 9 си происходят только на свету. Затем следует, более длительная стадия реакций 0,05 сне требующая света. Она включает до 20 Волновая оптика 254 реакций (цикл Кельвина, в которых протоны, используя энергию накопленную в АТР, через цепочку промежуточных комплексов, присоединяются к углероду молекулы углекислого газа и образуют с ним структурную единицу СН 2 О любой древесины. С восходом Солнца зеленые листья растений и деревьев продолжают свою молчаливую работу, улавливают солнечный свети консервируют его. Но так было не всегда фотосинтез возник на Земле в процессе эволюции растений около миллиарда лет назад, когда кислорода в атмосфере было менее процента, и почти вся она состояла из азота и углекислого газа. Простейшие сине-зеленые водоросли начали перерабатывать углекислоту в кислород, над Землей возник озоновый слой атомарного кислорода, который и сейчас предохраняет все живое от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. Жизнь под его защитой вышла из океанов на сушу, возникли животный мири появился человек, которые теперь возвращают долг растениям, снабжая их углекислотой. За 1 час 1 м листьев усваивает 6 - 8 г (3 - 4 литра) СО из воздуха и выделяет такой же объем кислорода. Человек потребляет 500 литров кислорода в сутки и такой же объем углекислого газа возвращает деревьями растениям. Весь углекислый газ атмосферы проходит через растения залета весь кислород через легкие человека и животных - залет. Красный свет, используемый в процессе фотосинтеза, составляет всего 2 % от общего потока излучения Солнца и только 30 % из этой части усваивается растениями. Это немного, но эта узкая тропа - единственный путь, связывающий царство неживой материи с миром живых существ, по которому энергия термоядерных топок Солнца, непрерывно дробясь, в виде квантов света достигает нервных клеток мозга человека, способного понять и оценить весь этот непостижимый замысел Природы и его постигаемое воплощение. 10.20. Горячие точки Вселенной После тщательного изучения строения пекулярных (неправильных) двойных галактик, в результате наблюдений было выявлено, что эти галактики соединены перемычками (ветвями, состоящими из пыли, газа и звезд, и образуют единую систему. Спектры от пекулярных двойных галактик показали, что красные смещения их различны. Это противоречит предположению, согласно которому величина красного смещения должна быть одной и той же, т.к. объекты находятся на одном и том же расстоянии от Земли. В связи с этим некоторое ученые считают, что в действительности галактики разнесены на большие расстояния, но находятся на одном луче зрения. Согласно другой точке зрения эффекты различия красного смещения - компонент одной физической системы - вызван старением фотонов, в результате их длительного странствования в космических глубинах Вселенной (гипотеза А. Белопольского – вывод автора. Волновая оптика 255 Например, в спектре одного из квазаров обнаружено смещение основной спектральной линии ( -линия серии Лаймана) из ультрафиолетовой области спектра в голубую, что дало возможность сфотографировать ее с Земли. Ученые полагают, что, если квазар находится на космологическом расстоянии 8 -11 млрд. световых лет, то его излучение, проходя сквозь межгалактическую среду, должно встретить на своем пути облака атомов водорода, которые поглощают излучение в области спектра, лежащей между тем участком, где должна находиться несмещенная -линия серии Лаймана, и тем, где она обнаружена. Концентрация атомов водорода в межгалактическом пространстве меньше, чем в галактическом 10 5 раз. Поэтому полагают, чтобы объяснить недостаточное поглощение, что водород может присутствовать в ионизированном состоянии, в котором он не поглощает излучение квазара. Излучение некоторых квазаров меняется в течение суток, а мощность излучения составляет 10 63 эрг, что эквивалентно излучению 10000 млрд. звезд. Законы физики требуют, что в этом случае размеры квазара должны быть не менее размеров Солнечной системы. Но как тогда разместить столько звезд В табл. 10.4 приведены расстояния от Земли до ближайших объектов Вселенной. Таблица 10.4 Звезда Созвездие R, парсек Спектральный класс Проксима ( -Центавра) Сириус ( - Большого Пса) - Эридана 61 - Лебедя (двойная звезда) Процион ( - Малого Пса) - Кита Альтаир ( - Орла) М 10 (галактика, туманность) 70 Змееносца (двойная звезда) М 12 (галактика, туманность) Фомальгаут ( - Южной Рыбы) Вега ( - Лиры) - Девы (двойная звезда) Поллукс ( - Близнецов) Арктур ( - Волопаса) Кастор ( - Близнецов) Капелла ( - Возничего) Альдебаран ( - Тельца) Регул ( - Льва) Алголь Центавр Большой Пес Эридан Лебедь Малый Пес Кит Эридан Орел Змееносец Южная рыба Лира Дева Близнецы Волопас Близнецы Возничий Телец Лев 1,35 2,7 3 3,4 3,5 3,68 4,9 5 5 5,4 5,8 7 8,1 10 10,7 11,1 13 13,7 20,8 25,6 32 А F F А А К КАК А Волновая оптика 256 ( - Рыб) Гиады (Звездное скопление) , Ворона Ахернар Спика ( - Девы) Антарес ( - Скорпиона) ( - Центавра) ( - Южного Креста) Альбирео Аламак Плеяды (Звездное скопление) Ясли Денеб ( - Лебедя) Ригель ( - Ориона) Бетельгейзе ( - Ориона) М Галактика Андромеда Рыбы Телец Ворон Эридан Дева Скорпион Центавр Южный Крест Лебедь Андромеда Телец Рак Лебедь Орион Орион Андромеда 40 40 40 43,5 47,7 52,5 62,5 67 125 125 130 160 170 200 200 5,2 10 5 В МА В М Возможно, что квазары представляют собой ядра галактик, в которых происходит цепная реакция взрывов сверхновых, материя которых поглощается центральной черной дырой. Предложено рассматривать гравитационный источник энергии, т.к. гравитация может дать враз больше энергии, чем взрывы сверхновых или взаимодействие вещества и антивещества. Фотографии некоторых галактик свидетельствуют о том, что в них происходят гигантские взрывы, в результате которых в течение длительного времени миллионы или даже миллиарды лет) с большой скоростью разлетаются огромные массы вещества. Наблюдаются выбросы (галактика Геркулес А) гигантских колец размерами больше нашей Галактики Млечный путь, заполненными неизвестным веществом - проматерией или истекают колоссальные струи до расстояний в 500000 световых лет, состоящие из каких-то субатомных частиц и сгустков материи размерами с небольшие галактики, излучающими голубой свет. В табл. 10.5 указаны расстояния от Земли до некоторых туманностей. Таблица 10.5 Туманности Галактики "Млечный путь" NGC M Название R, св.лет Созвездие Диффузные туманности IC 59 6960 6992-5 1976 42 Кассиопеи Сеть Большая туманность Ориона 650 1300 1300 980 Кассиопея Лебедь Лебедь Орион Волновая оптика 257 1977 6618 6514 6523 1952 17 20 8 1 42 Ориона Подкова или Омега Тройная Лагуна Крабовидная 1300 3200 2200 2500 6500 Орион Стрелец Стрелец Стрелец Телец Планетарные туманности 2392 7009 7293 3242 246 6720 6853 57 27 Сатурн Улитка (Геликс) Кольцевая Гантель 1300 1300 650 1950 1600 2300 980 Близнецы Водолей Водолей Гидра Кит Лира Лисичка Примечание NGC - номер по каталогу Дрейера; М - номер по каталогу Мессье; R - расстояние до туманности в световых годах. По современным данным во Вселенной должно находиться >10 9 галактик. Расстояние между галактиками в среднем 500000 парсек (пк). Галактики во Вселенной расположены относительно ближе друг к другу, чем звезды. Среднее расстояние между звездами на 7-8 порядков превышает их диаметры, а межгалактические расстояния превышают поперечники галактик лишь на один порядок. Мир галактик разнообразен. Обнаружены радиогалактики. Амбарцумян обнаружил у некоторых эллиптических галактик галактики-спутники, излучающие голубой свет, что вызвано непрерывным излучением. Это самые молодые из звездных систем. Следовательно, на первой стадии эволюции галактики характеризуются нестационарностью, что можно видеть на примере радио- и голубых галактик. Наблюдаемые в некоторых галактиках выбросы из их ядер, а также факт интенсивного истечения газа из ядер нашей Галактики "Млечный Путь, где его должно быть немного, указывает на возможность существования в ядрах какого-то сверхплотного вещества, распад которого и приводит к наблюдаемым явлениям. Это полностью отвечает гипотезе Амбарцумяна, считающего, что не только рождение звездно и возникновение галактик происходит из сверхплотного вещества ядер галактик, те. процесс идет от сверхплотного состояния вещества к менее плотному состоянию. Это положение противоречит классическим представлениям (идеи Джинса и др) об образовании галактики звезд путем сгущения разреженного космического газа и пыли. По последним данным, из анализа многих фактов, следует, что в настоящее время процесс образования звезд протекает лишь в неправильных галактиках (в них много пыли и газа) ив ветвях спиральных галактик. Воронцов-Вельяминов на основании исследований кратных и взаимодействующих и взаимопроникающих Волновая оптика 258 галактик полностью отвергает предположение о случайности образования групп галактики утверждает их совместное рождение. Он пришел к выводу, что в эволюции галактик в больших масштабах проявляются какие-то новые, неизвестные науке космические силы. Воронцова-Вельяминова поразили эффекты, которые никак нельзя было объяснить действием закона тяготения Ньютона. Если не могло быть никаких сомнений в действительности существования хвоста у Магелланова Облака или направленного прочь от нашей Галактики "Млечный Путь" придатка, то наличие перемычки между Магеллановым Облаком и нашей Галактики нужно еще доказать. На полученных Цвикки фотографиях галактических пар также наблюдались хвосты, а приливные выступы и перемычки либо совсем отсутствовали, либо были едва заметны. Если приливы вызваны гравитационными силами, то передний выступ не может быть меньше заднего, а если тела расположены достаточно близко, то будет наблюдаться даже обратный эффект. Остается предположить, что здесь действуют какие-то иные космические силы. Изучив атлас Маунт-Паломарской обсерватории, Воронцов-Вельяминов обнаружил не менее 500 взаимодействующих галактик, которые могли возникнуть только совместно, а не в результате случайного столкновения. Первый признак взаимодействия - это искажение нормальной формы, что проявляется в виде всевозможных придатков, хвостов и перемычек. Магеллановы Облака плавают в невидимой атмосфере водорода. Возможно, что общее водородное облако окутывает и наш "Млечный Путь, который отстоит от Магеллановых Облаков дальше, чем они друг от друга. Тонкий слой диффузной газовой материи в нашей Галактике по отношению к плоскости ее экватора приподнят в сторону Магеллановых Облаков и настолько же опущен с противоположной стороны. Такое явление, вызванное галактическими взаимодействиями, обнаруживается и у других подобных галактик. Как правило, расстояния между взаимодействующими галактиками меньше их видимых размеров. В ряде случаев наблюдаются галактические пары, которые, несмотря на их близость, не обнаруживают искажения формы. Перемычки и хвосты нельзя объяснить действием гравитационных сил (приливов, которые могли вызвать лишь короткие конусообразные выступы, яркость их увеличивалась бык основанию. Существование двойных перемычек опровергает приливную природу возмущений галактических форм. Перемычки представляют собой тонкие волокна, вытянутые между взаимодействующими галактиками. Форма волокон весьма причудлива и разнообразна. У одной и той же галактической пары волокна могут быть и прямыми, и причудливо изогнутыми, что никак нельзя объяснить действием приливных сил. Иногда перемычка является одновременно и спиральной ветвью той или иной из взаимодействующих систем. Это наблюдается, у близкой к нам, паре галактик NGC194-5, где большая спиральная галактика выбросила в меньшую галактику одну из спиральных ветвей. Найдено еще несколько подобных систем. В некоторых системах обнаружены в перемычках между галактиками голубые сгущения, состоящие из горячих звезд. Следовательно, перемычки и хвосты у Волновая оптика 259 галактики их спиральные ветви состоят из одного итого же материала - из горячих звезд, при этом содержание газа в них мало. Предполагается существование у спиральных ветвей и других звездосодержащих вытянутых образований какой-то особой вязкости, делающих их устойчивыми и долгоживущими системами. Не отрицая существования гравитационных сил между звездами, предполагается, что сами галактики связаны между собой неизвестными космическими, могучими силами. 10.20.1. Следы дозвездной материи В классической астрономии объясняется возникновение галактик, звезд и других космических объектов, но объяснения нет для планет (их число 10 9 ) и непонятно, куда девались звезды после их активной деятельности. В 1947 г. Амбарцумяном открыты звездные ассоциации и сделан вывод о совместном образовании составляющих ассоциацию звезд. Вопрос об дозвездной материи оставался открытым. Ясно было, что обычные формы материи для этого не годились. Звезды ассоциации испытывают влияние других звезд Галактики и под их действием довольно быстро распадаются (миллионы лет. Они разлетаются друг от друга со скоростью v 5-10 км/с. Следовательно, в прошлом звезды ассоциации были ближе друг к другу, и возникли в ограниченной области пространства. Если наше Солнце существует 4-5 млрд. лет, то звезды ассоциации живут 1-5 млн. лет. Установлено, что многие звезды, в том числе и звезды ассоциаций, могут выбрасывать газ в окружающее пространство. В некоторых ассоциациях обнаружены туманности, расширяющиеся от центра звездной ассоциации. Следовательно, туманности и плавающие в них звезды возникли одновременно из какой-то устойчивой до их возникновения дозвездной материи или протозвезд очень массивных, ноне больших по размерам, а следовательно, необычайно плотных. Протозвезды должны обладать колоссальными запасами потенциальной энергии, за счет которой в результате мощнейшего взрыва (протозвездная сингулярность) могут образоваться звездные ассоциации и расширяющиеся туманности. Более того, рождающимся галактикам еще более, чем рождающимся звездам звездные ассоциации) свойственно стремление к образованию компактных систем группы галактик, скопления и сверхскопления галактик. Астрономы обнаружили молодые галактики, возраст которых 1-5 млрд. лет. Например, группа галактик, известная под названием "квинтет Стефана" может служить примером расширения. 4 из 5 галактик удаляются от Земли со v 7000 км/с, а одна - лишь со v 1000 км/с. Следовательно, она удаляется от остальных 4 галактик. Действительно, взрывоподобное расширение. Галактики движутся под влиянием неведомых и колоссальных по масштабу сил. Исходя из идеи совместного рождения взаимодействующих галактик, предполагают, что возникновение их тоже сопровождалось выделением скрытой Волновая оптика 260 энергии из протогалактического вещества. Например, обнаружена галактика NGC4486 из созвездия Девы, имеющая странную форму. На фотографии видна извергающаяся из ее галактического ядра мощная струя с чередующимися сгущениями. Их голубой цвет свидетельствует об излучении, порожденном быстрыми электронами. Если бы ядро галактики состояло только из звезд и остатков газа, такой выброс был бы просто необъясним, т.к. масса голубых сгущений в струе близка к массам небольших галактик. В том далеком от нас звездном острове кипяти бушуют неведомые силы. Сконцентрированное в галактическом ядре дозвездное вещество сначала находилось в относительно устойчивом состоянии. Затем, по каким-то причинам, устойчивое состояние нарушается и переходит в стадию сингулярности (возможно - это колоссальной массы черные дыры, которые поглощают падающее на них вещество и излучение от близко находящихся звездно это не может продолжаться вечно, а только до какого-то предела, затем черная дыра взрывается. В состоянии сингулярности дозвездное вещество кипит и клокочет в потоках быстрых элементарных частиц, затем в результате взрыва превращается в известные наблюдаемые формы материи. Нечто похожее можно видеть на фотографии галактики NGC3561, где изверженная из ядра струя несет голубой сгусток массой в миллионы Солнечных масс. В центре галактики Андромеда обнаружили шаровидное ядро диаметром 16 св. лет высочайшей плотности, нацело состоящего из протозвезд, чем и объясняется его слабое, по сравнению с огромной массой, излучение. Такая же сердцевина обнаружена ив ядре нашей Галактики Млечный Путь. Следы излучения из галактических ядер свидетельствует о движении каких-то газовых потоках, непрерывно извергаемых таинственными источниками. Видимо там рождаются и рушатся физические поля, происходит непрерывное превращение одних форм материи в другие, а также формирование будущих звезд и туманностей из дозвездного вещества. Остатки дозвездного вещества в ядрах уже рожденных молодых галактик, возможно, дадут начало новым истечениям вещества. В настоящее время примерами сверхплотного вещества являются белые карлики, нейтронные, гиперонные и кварковые звезды. |