Головна

А (додаткова). Кілька слів про методологію науки. Принцип актуалізму, "Бритва Оккама" і презумпції. Перевірка теорії: верифікації та фальсифікації.

  1.  A) Історичний метод є принцип відтворення об'єкта у всіх деталях його історичного розвитку.
  2.  Amp; && 204. Як виділити кілька робочих аркушів, що йдуть врозкид?
  3.  Amp; 4. Принципи сімейного права Росії.
  4.  D) ПРИНЦИП ІСТОРІЇ ДІЙ
  5.  I. ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ ПОЛІТИКИ ЗМІН
  6.  I. КЕРІВНІ ПРИНЦИПИ
  7.  II) Принципи менеджменту

Принцип актуалізму (термін цей був уведений в 1830 році Ч. Лайєлем) полягає в тому, що при будь-яких реконструкціях подій минулого ми виходимо з того, що в ті часи мали діяти такі ж закони природи, що і нині; сам Лайель коротко формулював його як "Справжнє є ключ до минулого". І нехай, наприклад, в докембрії існували екосистеми, які не мають сучасних аналогів - але камінь-то, треба думати, і тоді падав на землю з прискоренням 9,8 м / сек2, Вода замерзала при нулі градусів Цельсія, а молекула хлорофілу справно поглинала кванти світла ... А, власне кажучи, чому? Питання це зовсім не так вже простий.

Безпосередньо в минуле зазирнути неможливо, машина часу - це нездійсненна мрія людства. Будь-які наші судження про минуле є лише більш-менш ймовірні припущення, засновані на інтерпретації фактів і подій сучасності. Динозаври (настільки полюбилися широкому загалу після "Юрського парку") - це, взагалі-то кажучи, лише шматки пісковика, що нагадують своєю формою кістки сучасних рептилій; все ж інше - чисті домисли. Ясна річ, що ціна домислів режисера С. Спілберга та академіка від палеонтології Л. П. Татаринова кілька різна, проте експериментально перевірити не можна ні перші, ні другі - ні сьогодні, ні в майбутньому. Тому для початку нам слід вирішити для себе принципове питання: пізнаване чи минуле взагалі? При цьому необхідно визнати, що на логічному рівні проблема нерозв'язна, тобто це питання не розуму, а віри.

Якщо відповідь буде "ні", то ми можемо далі на власний розсуд населяти минуле атлантами і лемурійцамі, розумними спрутами і крилатими вогнедишними драконами, а можемо, навпаки, заперечувати існування всього, що не згадується - чорним по білому - в Старому Завіті. Будь ласка; ми тепер перебуваємо в сфері міфології, можна ні в чому собі не відмовляти. Відправившись цим шляхом, ми з неминучістю повинні прийти до заперечення існування Хеопса, Івана Грозного, а то і товариша Сталіна - чим вони в цьому сенсі краще динозаврів?

Якщо ж ми приймемо, що минуле принципово пізнаване (а переважна більшість людей вирішують для себе це питання саме так), і залишимося при цьому на позиціях раціонального мислення (тобто будемо покладатися не так на "одкровення згори", а на свої власні спостереження і висновки), то згаданий вище шматок пісковика негайно перетвориться в стегнову кістку тиранозавра. Структура її поверхні дозволить нам зробити висновки про місця прикріплення м'язів, і відповідно, про тип ходи, швидкості пересування і можливі способи полювання; внутрішня структура кістки - про характер кровопостачання, і відповідно, про можливу теплокровности цих істот. Викопна деревина з річними кільцями дозволить зробити висновок, що клімат в цьому місці тоді був сезонним, а викопний кораловий риф - що температура навколишнього його морської води перевищувала 20 градусів. Всі ці висновки будуть засновані на аналогіях - на те, як поводяться кістки хребетних, деревина і коралові рифи в наші дні. Але чи маємо ми право виходити з такої передумови? Не тільки вправі - ми повинні надходити саме так, і ось чому.

Ми вже обговорили, що діємо в сфері раціонального мислення. Раціональний тип мислення - аж ніяк не єдино можливий; буває мислення художнє, містичне, релігійне, і т.п. Треба чітко усвідомлювати, що жодна з них не "гірше" і не "краще" інших - вони просто різні, і мають свої власні "склепіння законів". Ми вільні у виборі типу мислення - але, раз вибравши, зобов'язані будемо надалі підкорятися певним правилам.

Одним з фундаментальних принципів раціонального мислення є "Бритва Оккама" (по імені англійського філософа XIII століття); сам Оккам формулював його як "Не множ сутностей понад необхідне". Стосовно до правил наукового дослідження це означає наступне: вибираючи одну з кількох гіпотез, що пояснюють якесь явище, треба починати з найпростішої з них, і тільки переконавшись в тому, що вона "не працює", переходити до більш складної, повторюючи цю процедуру до тих пір, поки не буде знайдено найпростіше задовільний пояснення.

Наведемо такий приклад. На тихоокеанському острові Пасхи є циклопічні статуї, які, здавалося б, не могли бути споруджені примітивним плем'ям, що населяють острів в наші дні. Чи можемо ми висловити гіпотезу, що статуї ці поставлені прибульцями з іншої планети? Звичайно можемо. Однак, перебуваючи в рамках раціонального підходу, ми маємо право прийняти таке пояснення лише після того, як будуть вичерпані всі простіші - "земні" - гіпотези. Тур Хейєрдал, який зробив успішну спробу встановити пасхіанскую статую за допомогою лише тих засобів, що є в наші дні в розпорядженні тамтешніх аборигенів, діяв строго в рамках "Бритви Оккама" - хоча напевно не замислювався над цим. Останнє має велике значення: справа в тому, що принцип "Бритви Оккама" (і згодом розвинувся з неї принцип парсімоніі) для будь-якого вченого, принаймні, у сфері природничих наук, настільки фундаментальні, що зазвичай його просто не помічають - як ми не помічаємо повітря, яким дихаємо.

Повертаючись до методів реконструкції картин далекого минулого, відзначимо, що з цієї точки зору актуалізм - прагнення в історичних реконструкціях відштовхуватися від сучасних аналогів - абсолютно коректний. Існування ж в минулому прінціпільно інших, ніж нині діючі, законів природи буде тією самою "надлишкової сутністю", яку і відсікає "Бритва Оккама". Власне кажучи, минуле взагалі пізнаване рівно настільки, наскільки точні аналогії колишнім ситуацій існують в сучасності. Однак в наступних розділах ми регулярно будемо стикатися і з такими сумами фактів, для пояснення яких нам доведеться припускати, що в природі існували і ситуації, нині абсолютно немислимі, як-то: екосистеми, що не мають в своєму складі хижаків; ландшафти, які не є ні сушею, ні морем, а чимось середнім; атмосферна циркуляція, при якій число конвективних осередків відмінно від нинішнього. Чи є такі реконструкції відступом від принципу актуалізму? Ні, не є, і ось чому.

Справа в тому, що принцип актуалізму не є аксіоматичним твердженням. Аксіома - це прийняте без доказів положення, на основі якого будується внутрішньо несуперечлива система поглядів. Якщо ми приймаємо аксіому "Через точку, що лежить поза прямою, можна провести одну і тільки одну пряму, паралельну даній", то отримуємо внутрішньо несуперечливу геометрію Евкліда. А якщо взяти, що через таку точку можна провести кілька прямих що не перетинають дану, то виникне геометрія Лобачевського, настільки ж внутрішньо несуперечлива, що і "нормальна", евклидова.

Вище ми вже стикалися з одним аксіоматичним твердженням - законом нашарування ("якщо один шар гірських порід лежить на іншому, то верхній шар утворився пізніше, ніж нижній"), на якому заснована така внутрішньо несуперечлива система поглядів, як стратиграфія. Тому якби раптом вдалося довести (напружте уяву!) Що вищерозміщений шар може утворитися перш нижчого - це означало б повне руйнування картини Світу, що створена стратиграфией.

Принцип же актуализма належить до зовсім іншого типу тверджень - презумпція. Всім відома використовувана в юриспруденції презумпція невинності. Вона може бути сформульована так: оскільки більшість людей не є злочинцями, то кожна окремо взята людина має вважатися невинною доти, поки не доведено протилежне. Останнє - надзвичайно важливо: в презумпції споконвічно закладена можливість спростування; вона лише встановлює черговість, в якій слід розглядати відповідні гіпотези (стосовно Презумция невинності це означає, що обвинувачений не зобов'язаний нічого доводити - це справа обвинувача).

Палеонтолог А. П. Расніцин показав, що цей тип тверджень використовується в природничих науках надзвичайно широко, хоча практично завжди - в неявному вигляді. Наприклад, постійно практикується біологами визначення ступеня споріднення організмів за ступенем їх подібності - не що інше як презумпція, яку можна сформулювати так: "Більш подібні між собою організми повинні вважатися більш близько спорідненими між собою до тих пір, поки не доведено протилежне (тобто . конвергентное виникнення цієї схожості) ". Надалі ми будемо часто стикатися з цим типом логічних конструкцій. Однією з презумпції і є принцип актуалізму, який може бути переформульовані таким чином: в процесі історичного дослідження ми повинні виходити з того, що будь-які системи в минулому функціонували так само, як їх сучасні аналоги, до тих пір, поки не доведено протилежне.

Раз вже зайшла мова про науковому мисленні, то слід розповісти про погляди одного з найбільших філософів XX століття, математика з базової освіти - К. Поппера. Він одним з перших поставив питання: коли теорію можна вважати науковою? Поппер відразу уточнює: "Мене цікавив не питання про те," коли теорія істинна? "[...] Я поставив перед собою іншу проблему. Я хотів провести відмінність між наукою і псевдонаукою, прекрасно знаючи, що наука часто помиляється, а псевдонаука може випадково натрапити на істину ". З давніх-давен існує стандартна відповідь: наука відрізняється від псевдонауки (або від "метафізики") своїм емпіричним методом, тобто виходить зі спостережень і експериментів. Однак така відповідь навряд чи можна вважати вичерпним: наприклад, астрологія (яка, вочевидь, наукою в строгому сенсі не є) оперує величезною масою емпіричного матеріалу, що спирається на спостереження - гороскопами і біографіями.

Поппер згадує, що в 1919 році, коли він починав вчитися в Віденському університеті, всі були захоплені новими, воістину революційними, концепціями: теорією відносності Ейнштейна, а також історичним матеріалізмом Маркса і новітніми психологічними теоріями - психоаналізом Фрейда і так званої "індивідуальної психологією" Адлера . Швидко відчувши - спершу на якомусь підсвідомому рівні - якесь принципове розходження між двома цими групами теорій, Поппер спробував сформулювати для себе: чим марксизм, психоаналіз і індивідуальна психологія так відрізняються від фізичних теорій - наприклад, від теорії відносності? Ясно, що справа тут була не в математичному апараті (або його відсутність), а в чомусь іншому, більш серйозному.

"Я виявив, що ті з моїх друзів, які були прихильниками Маркса, Фрейда і Адлера, перебували під враженням деяких моментів, загальних для цих теорій, зокрема під враженням їх явної пояснювальної сили. Здавалося, ці теорії здатні пояснити буквально все, що відбувалося в тій області, яку вони описували. Вивчення будь-якої з них як би приводило до повного духовного переродження або до одкровення, що розкриває наші очі на нові істини, приховані від непосвячених. Раз ваші очі одного разу були розкриті, ви будете бачити що підтверджують приклади всюди: у світі повно верифікаціями теорії. Все, що відбувається, підтверджує її ".

Отже, головна риса цієї групи теорій - безперервний пошук верифікуйте їх емпіричних результатів (спостережень): чим більше, тим краще. Більш того: неможливо уявити собі, наприклад, таку форму людської поведінки, яка не вкладалася б у рамки відповідної психологічної теорії. У прикладі, розглянутому Поппером, одна людина штовхає дитину в воду з наміром втопити його, а інший жертвує життям у спробі врятувати цю дитину: "Кожен з цих випадків легко пояснити і в термінах Фрейда, і в термінах Адлера. Згідно Фрейду, перша людина страждає від придушення якогось комплексу (скажімо, Едіпового), а другий досяг сублімації. Згідно Адлеру, перша людина страждає від почуття неповноцінності (яке викликає у нього необхідність довести самому собі, що він здатний зважитися на злочин); те ж саме відбувається і з другим (у якого виникає потреба довести самому собі, що він здатний врятувати дитину). " З такою ж легкістю обидві ці теорії переінтерпретіруют і будь-які інші людські вчинки.

З теорією відносності справа йде зовсім інакше. Якраз під час, що описується Поппером, А. Еддінгтон вперше вдалося підтвердити одне з передбачень, зроблених Ейнштейном. Згідно з його теорією гравітації, великі маси (такі, як Сонце) повинні притягати світло точно так же, як вони притягують матеріальні тіла. Тому світло далекої фіксованої зірки, видимої поблизу Сонця, досягає Землі по такому напрямку, що зірка здається зміщеною в порівнянні з її реальним станом. У звичайних умовах цей ефект спостерігати неможливо, оскільки близькі до Сонця зірки зовсім губляться в його сліпучих променях. Однак ці зірки можна сфотографувати під час повного сонячного затемнення, а потім порівняти їх положення з тим, що спостерігається вночі, коли маса Сонця не впливає на поширення їх променів. Саме це і зробив Еддінгтон, отримавши в підсумку той самий ефект, що був раніше передбачений Ейнштейном.

"В даному прикладі, - пише Поппер, - справляє враження той ризик, з яким пов'язано подібне пророцтво. Якщо спостереження показує, що передбачений ефект виразно відсутній, то теорія просто-напросто відкидається. Дана теорія несумісна з певними можливими результатами спостереження - з тими результатами , яких до Ейнштейна очікував би кожен. Така ситуація абсолютно відмінна від описаної мною раніше, коли відповідні [психологічні] теорії виявлялися сумісними з будь-яким людським поведінкою, і було практично неможливо описати будь-яку форму людської поведінки, яка не була б підтвердженням цих теорій. "

Все це і призвело Поппера до висновку про те, що підтвердження (верифікації) теорії недорого коштують - їх при бажанні можна набрати скільки завгодно, майже для будь-якої теорії. Власне кажучи, брати до уваги підтверджує свідчення слід лише в тих випадках, коли воно є результатом реальної "перевірки теорії на міцність" - спроби її спростувати, яка виявилася безуспішною. Теорія ж, що не опровергаема ніяким мислимим подією, є ненауковою; принципова неопровергаемость є не гідність теорії (як часто думають), а її вада. Отже, критерієм наукового статусу теорії є її проверяемость і принципова опровергаема (фальсифицируемость) [05]. Іншими словами, наука (на відміну від псевдонауки) повинна робити прогнози, що перевіряються ("Буде так-то і так-то, в іншому випадку я з'їм свого капелюха"), причому передбачення ці повинні бути ризикованими, що не очевидними апріорі (НЕ типу - " сонце завтра раніше зійде на сході ").

З розглянутих вище теорій критерієм фальсифікації відповідає лише теорія відносності: навіть якщо в період її висунення існуючі вимірювальні інструменти не дозволяли здійснити перевірку, принципова можливість спростування цієї теорії існувала вже тоді. Випадок з астрологією - зворотний; астрологи просто ігнорують несприятливі для них свідоцтва, а в своїх прогнозах вдаються до звичайного трюку всіх віщунів: пророкують події настільки невизначено, щоб передбачення завжди збувалися, тобто щоб вони були неопровергаемие. (Пам'ятаєте, в "Ходжу Насреддіна": "Чи буду я щаслива в своєму новому шлюбі?" - Трепетно ??питала якась поважних років вдова і завмирала в очікуванні відповіді. "Так, будеш щаслива, якщо на світанку НЕ влетить в твоє вікно чорний орел, - говорив відповідь ворожбита. - Стережися також посуду, опоганеної мишами, ніколи не пий і не їж з неї. "і вдова віддалялася, повна смутного страху перед чорним орлом, обтяжливо вразила її уяву, і зовсім не думаючи про якісь мерзенних мишах, а тим часом, в них-то саме і крилася загроза її сімейному благополуччю, що з готовністю розтлумачив би їй ворожбит, якби вона прийшла до нього зі скаргами на неправильність його передбачення. ")

Складніше ситуація з марксистською соціологією. У ранніх своїх формулюваннях вона дійсно давала перевіряються передбачення (наприклад, Марксов аналіз рушійних сил і термінів прийдешньої "соціальної революції"), які все виявилися спростованими (революції відбувалися не в промислово розвинених, а в найвідсталіших країнах, і т.п.). Однак послідовники Маркса, замість того, щоб визнати це спростування, переінтерпретували і теорію, і свідоцтва так, щоб привести їх у відповідність. Таким шляхом вони "врятували" свою теорію, але при цьому зробили її неопровергаемой - і тим самим позбавили її наукового статусу (в Радянському Союзі марксизм перетворився вже в чисте богослов'я - тобто в коментування священних текстів). Що ж стосується двох згаданих психоаналітичних теорій, то вони є спочатку непроверяемимі і неопровергаемие. Як підкреслює Поппер, "це не означає, що Фрейд і Адлер взагалі не сказали нічого правильного [...] Але це означає, що ті" клінічні спостереження ", які, як наївно вважають психоаналітики, підтверджують їхню теорію, роблять це не більшою ступеня, ніж щоденні підтвердження, які виявляються в своїй практиці астрологами ". Отже, за Поппера: теорія відносності - наукова і правильна, тобто не спростована, незважаючи на всі зусилля; марксизм (ранній) - наукова, але неправильна; психоаналіз - правильна (в сенсі - дає позитивні практичні результати), але ненаукова.

Зрозуміло, Поппер намалював навмисне спрощену картину. Адже згідно з його методологічним правилами, якщо теорії суперечить якийсь факт, то вона стає фальсифікованої і повинна бути негайно відкинута. Однак в реальності наукове співтовариство часто-густо змушений зберігати свідомо "фальсифіковані" теорії до тих пір, поки не з'являться нові, більш досконалі - "Через брак гербової ..."; з цим був змушений погодитися і сам Поппер. Попперовский фальсіфікаціоналізм пережив пік своєї популярності в шістдесяті-сімдесяті роки, а нині поступився місцем більш витонченим методологічним концепціям. Проте, головні попперовском положення (що ціна не перевіряється гіпотези, хоч би красива вона не була - п'ятак в базарний день, і що суть наукового дослідження не в тому, щоб підбирати приклади, що підтверджують теорію, а щоб шукати все нові способи для її критичної перевірки) залишаються в силі. Тим з вас, хто збирається в подальшому займатися наукою, слід мати це на увазі.

2. Освіта нашої планети: "холодна" і "гаряча" гіпотези. Гравітаційна диференціація надр. Походження атмосфери та гідросфери.

Розповідь про походження Землі і Сонячної системи нам доведеться почати здалеку. У 1687 р І. Ньютон вивів закон всесвітнього тяжіння - "кожне тіло у Всесвіті притягує інші з силою, прямо пропорційною добутку їх мас, і обернено пропорційною квадрату відстані між ними". Теоретично закон всесвітнього тяжіння дозволяє розрахувати руху будь-якого тіла у Всесвіті під впливом тяжіння інших тіл. Але нажаль! - Тільки теоретично: рівняння, необхідні для опису руху всього трьох ізольованих тіл під впливом тяжіння одне одного дуже складні, що їх рішення не вдавалося отримати майже три століття, до 60-х років нашого століття. Зрозуміло, що про повне вирішення для такої системи тіл, як Сонячна система, і говорити не доводиться. Що ж до наближених розрахунків (якими займалися багато видатних математики та астрономи - Ж. Лагранж, П. Лаплас та інші), то вони показують, що обурення в орбітах планет носять періодичний характер: параметри орбіти змінюються в одному напрямку, потім в протилежному, і так до нескінченності. Отже, в самій по собі визначається тяжінням структурі Сонячної системи начебто немає нічого, що завадило б їй існувати вічно; недарма сам Ньютон питання про походження Сонячної системи взагалі не ставив.

Давайте, однак, задумаємося: якби причиною руху планет було одне лише тяжіння - що з ними сталося б? Правильно - вони "впали" б на Сонце. Планети, проте, благополучно рухаються собі по своїх орбітах перпендикулярно діючої на них сили тяжіння і при цьому ще обертаються навколо власної осі. Цей рух не могло виникнути - і не виникло! - Під впливом тяжіння Сонця; звідки ж воно взялося?

Справа в тому, що будь-яке тіло, що обертається володіє певною якістю, яке називається "моментом кількості руху" (МКД). Величина МКД залежить від трьох параметрів: маси тіла, його кругової швидкості і відстані до центру обертання. До XVIII століття було встановлено, що МКД не виникає з нічого і не зникає безслідно, а може лише передаватися від тіла до тіла. Це - закон збереження моменту кількості руху, що належить до ряду законів збереження (таких, як закони збереження речовини, енергії та ін.). А коли так, то будь-яка теорія виникнення Всесвіту (або Сонячної системи) як мінімум не повинна йому суперечити.

Отже, всі тіла, що становлять Сонячну систему, володіють власним МКД; створити МКД неможливо - звідки ж він взявся? Можливий наступний вихід з цього глухого кута. Справа в тому, що МКД можуть відрізнятися в залежності від напрямку обертання: за і проти годинникової стрілки - позитивний і негативний МКД. Якщо тілу (або системі тел) повідомити два МКД - рівної величини, але різного знака - то обидва моменти взаємно знищаться, і виникне система, позбавлена ??МКД. Але в такому випадку вірно і зворотне: система, з самого початку не мала МКД, може розділитися на дві: одну з позитивним, іншу - з рівним йому негативним МКД. Таким чином, МКД як би з'являється і зникає без порушення закону збереження. Виходячи з цього, можна припустити, що Всесвіт спочатку не володіла МКД, але потім одні її частини отримали позитивний момент, а інші - одночасно - негативний.

Так ось, якщо подивитися на Сонячну систему "з висоти" - з якоїсь точки над Північним полюсом Землі (і, відповідно, над площиною її орбіти), то виявиться, що Земля, Сонце і більшість інших тіл обертаються навколо своєї осі проти годинникової стрілки; планети навколо Сонця і супутники навколо планет - теж. Тобто - позитивні і негативні МКД всіх тіл, що складають Сонячну систему, аж ніяк не врівноважуються між собою; сумарний МКД цієї системи дуже великий, і необхідно з'ясувати його походження.

У 1796 році П. Лаплас сформулював небулярную теорію, згідно з якою послідовність подій при утворенні Сонячної системи така. Є первинне газо-пилова хмара (туманність - по латині "Небула"), що виникло в результаті концентрації розсіяного міжзоряної речовини під дією взаємного тяжіння його частинок (просто відповідно до закону всесвітнього тяжіння). Небула не є ідеальним кулею, і її краю - просто з теорії ймовірності - знаходяться на неоднаковій відстані від найближчої небули (або зірки), а тому притягуються тієї з неоднаковою силою (яка, як ми пам'ятаємо, обернено пропорційна квадрату відстані). Цією неравновесности досить для того, щоб наша Небула отримала первинний поштовх, який і додасть їй обертальний рух, нехай і надзвичайно слабке.

Як тільки Небула починає повертатися навколо своєї осі, в ній виникає сила тяжіння (як в космічному кораблі, який спеціально "розкручують" для протидії невагомості). Під впливом сили тяжіння Небула повинна почати стискуватися - тобто її радіус зменшується. А ми з вами пам'ятаємо, що МКД (який є величина постійна) залежить від трьох параметрів: маси тіла, радіусу і швидкості його обертання; маса - теж величина незмінна, тому зменшення радіуса може бути компенсовано лише збільшенням швидкості обертання. В результаті величезний газовий кулю буде обертатися все швидше і швидше, працюючи як центрифуга: під дією відцентрової сили його екватор спухає, надаючи кулі форму все більш сплющенного еліпсоїда. Потім настає момент, коли все зростаюча відцентрова сила на екваторі врівноважує силу тяжіння, і від нього (екватора) починає відшаровуватися кільце, а потім, у міру подальшого стиснення небули, ще і ще. Речовина цих обертових кілець починає під дією взаємного тяжіння його частинок конденсуватися в планети, від яких, в свою чергу, відриваються їх супутники.

Теорія Лапласа, згідно з якою Земля була спочатку холодною, зберігала популярність протягом майже століття, хоча їй і суперечили деякі астрономічні дані (наприклад - обертання Венери й Урана в бік, протилежний всім іншим планетам і Сонця). Однак ближче до кінця XIX століття, коли було твердо встановлено, що температура в надрах нашої планети надзвичайно висока (за сучасними даними - понад тисячу градусів), більшість вчених стало поділяти думку про спочатку гарячої Землі - вогняну кулю, поступово захололому з поверхні. Пошуки джерела цього розпеченого речовини цілком природно було почати з Сонця. На початку нашого століття астрономи Т. Чемберлен і Ф. Мультон висунули, а Дж. Джинс математично обгрунтував планетезімальную теорію походження планет Сонячної системи. Суть її полягає в тому, що колись поблизу від Сонця ("поблизу" - це по космічному масштабах) пройшла інша зірка. При цьому взаємне притягання вирвало з кожної з них по гігантському протуберанці зоряної речовини, які, об'єднавшись, склали "міжзоряний міст", який розпався потім на окремі "краплі" - планетезимали. Остигаючі планетезимали і дали початок планетам і їх супутників.

Друга половина нашого століття, однак, стала часом повернення до концепції спочатку холодної Землі. По-перше, знайшлися серйозні, чисто астрономічні, заперечення проти планетезімальной теорії. Г. Рессел, наприклад, звернув увагу на ту просту обставину, що якщо між Сонцем і проходить зіркою простягнеться стрічка з зоряної речовини, то її середня частина (де тяжіння двох світил взаємно врівноважується) повинна буде перебувати в повній нерухомості. І навпаки, з'ясувалося, що деякі опинилися помилковими положення Лапласа цілком можуть бути відкоректовані в рамках подальшого розвитку небулярной теорії. (Як приклад можуть бути приведені гіпотеза О. Ю. Шмідта - в ній газо-пилова хмара захоплюється вже існуючим на той момент Сонцем, або більш популярна нині модель К. фон Вайцзекера; в останній обертається Небула є вже не гомогенний шар, як у Лапласа, а систему різношвидкісних вихорів, що трохи нагадує шарикопідшипник. Нині вважають також, що газ і пил під обертається газо-пилової туманності поводяться по різному: пил збирається в плоский екваторіальний диск, а газ утворює майже кулясте хмару, густеющая у напрямку до центру туманності. Згодом пил екваторіального диска злипається в планети, а газ під власною вагою розігрівається так, що "спалахує" у вигляді Сонця).

Більш суттєвим для перемоги "холодної" концепції, однак, виявилося інше: був знайдений переконливий і при цьому досить проста відповідь на питання - звідки ж береться тепло, розігрівшись надра спочатку холодної Землі до таких високих температур? Цих джерел тепла, як зараз вважають, два: енергія розпаду радіоактивних елементів і гравітаційна диференціація надр. З радіоактивністю всі досить ясно, та й джерело це другорядний - на нього припадає, відповідно до сучасних оцінками, не більше 15% енергії розігріву. Ідея ж гравітаційної диференціація надр (її детальну розробку пов'язують з ім'ям О. Г. Сорохтина) полягає в наступному.

Знаючи масу і об'єм Землі (вони були розраховані ще в XVIII столітті), легко визначити усереднену щільність земної речовини - 5,5 г / см3. Тим часом, щільність доступних нам для прямого вивчення гірських порід вдвічі менше: середня щільність речовини земної кори становить 2,8 г / см3. Звідси ясно, що речовина в глибоких надрах Землі повинен мати щільність багато вище середньої.

Відомо, що майже дівати десятих маси Землі припадає на частку всього чотирьох хімічних елементів - кисню (що входить до складу оксидів), кремнію, алюмінію і заліза. Тому можна з достатньою впевненістю стверджувати, що більш "легкі" зовнішні шари планети складаються переважно з сполук кремнію (алюмосилікатів), а "важкі" внутрішні - заліза.

У момент утворення Землі ("гарячим" або "холодним" способом - для нас зараз важливо) "важкі" і "легкі" елементи та їхні сполуки не могли не бути повністю перемішані. Далі, однак, починається їх гравітаційна диференціація: під дією сили тяжіння "важкі" з'єднання (залізо) "тонуть" - опускаються до центру планети, а "легкі" (кремній) - "спливають" до її поверхні. Давайте тепер розглянемо цей процес у думках вирізаному вертикальному стовпі земного речовини, основа якого - центр планети, а вершина - її поверхня. "Потопаючого" залізо постійно зміщує центр ваги цього стовпа до його основи. При цьому потенційна енергія стовпа (пропорційна добутку маси тіла на висоту його підйому, що в нашому випадку становить відстань між центром Землі і центром тяжіння стовпа) постійно зменшується. Сумарна ж енергія Землі, відповідно до законів збереження, незмінна; отже, втрачається в процесі гравітаційної диференціації потенційна енергія може перетворюватися лише в кінетичну енергію молекул - тобто виділятися у вигляді тепла.

Розрахунки геофізиків показують, що ця енергія складає жахливу величину 4 * 1030 кал (що еквівалентно трильйона сумарних ядерних боєзапасів всіх країн світу). Цього цілком достатньо для того, щоб - навіть не вдаючись до допомоги енергії радіоактивного розпаду - розігріти надра спочатку холодної Землі до розплавленого стану. При цьому, однак, розраховуючи тепловий баланс Землі за всю її історію, геофізики дійшли висновку, що температура її надр лише місцями могла доходити до 1600оC, в основному складаючи близько 1200оC; а це означає, що наша планета, всупереч існував раніше уявленням, ніколи не була повністю розплавленої. Зрозуміло, планета постійно втрачає теплову енергію, остигаючи з поверхні, однак ці витрати в значній мірі (якщо не повністю) компенсується випромінюванням Сонця.

Отже, Земля протягом усієї своєї історії є тверде тіло (більш того: в глибинах, при високому тиску, дуже тверде тіло), яке, однак, парадоксальним чином веде себе при дуже великих постійних навантаженнях як надзвичайно в'язка рідина. Сама форма планети - еліпсоїд з трохи випнутих Північним полюсом і трохи втиснув Південним - ідеально відповідає тій, що має приймати рідину в стані рівноваги. У товщі цієї "рідини" постійно відбуваються надзвичайно повільні, але немислимо потужні руху колосальних мас речовини, з якими пов'язані вулканізм, горотворення, горизонтальні переміщення континентів і т.д. - Їх закономірності ми будемо обговорювати в наступному розділі. Тут важливо запам'ятати, що джерелом енергії для всіх цих процесів є в кінцевому рахунку все та ж сама гравітаційна диференціація речовини в надрах планети. Відповідно, коли цей процес завершиться повністю, наша планета стане геологічно неактивною, "мертвої" - подібно Місяці. Згідно з розрахунками геофізиків, на цей момент вже 85% наявного на Землі заліза опустилося в її ядро, а на "осідання" решти 15% буде потрібно ще близько 1,5 млрд. Років.

В результаті гравітаційної диференціації надра планети виявляється розділеними (як молоко в сепараторі) на три основних шару - "важкий", "проміжний" і "легкий". Внутрішній, "важкий" шар (з щільністю речовини близько 8 г / см3) - центральне ядро, що складається із з'єднань заліза та інших металів; з 6400 км, що становлять радіус планети, на ядро ??припадає 2900 км. Поверхневий, "легкий" шар (щільність його речовини близько 2,5 г / см3) називається корою. Середня товщина кори всього-на-всього 33 км; вона відокремлена від нижчих шарів поверхнею Мохоровичича, при переході через яку стрибкоподібно збільшується швидкість поширення пружних хвиль. Між корою і ядром розташовується "проміжний" шар - мантія; її породи мають щільність близько 3,5 г / см3 і знаходяться в частково розплавленому стані. Верхня мантія відокремлена від нижньої мантії лежачим в 60-250 км від поверхні розплавленим шаром базальтів - астеносферой; верхня мантія разом з корою утворює тверду оболонку планети - літосферу (малюнок 4). Саме в астеносфері знаходяться магматичні вогнища, що живлять вулкани, діяльності яких Земля зобов'язана своєю рухомий оболонкою - гидросферой і атмосферою.

МАЛЮНОК 4. Структура надр планети (зі схематичним вулканом)

Відповідно до сучасних уявлень, атмосфера і гідросфера виникли в результаті дегазації магми, виплавляється при вулканічних процесах з верхньої мантії і створює земну кору. Атмосфера і гідросфера складаються з легких летючих речовин (сполук водню, вуглецю і азоту), вміст яких на Землі в цілому дуже мало - приблизно в мільйон разів менше, ніж в космосі. Причина такого дефіциту полягає в тому, що ці летючі речовини були "вимиті" ще з протопланетної хмари сонячним вітром (тобто потоками сонячної плазми) і тиском світла. У момент утворення Землі з протопланетної хмари всі елементи її майбутньої атмосфери та гідросфери перебували в пов'язаному вигляді, в складі твердих речовин: вода - в гидроокислах, азот - в нітриду (і, можливо, в нітрати), кисень - в оксиди металів, вуглець - в графіті, карбідах і карбонатах.

Сучасні вулканічні гази приблизно на 75% складаються з води і на 15% - з вуглекислоти, а залишок припадає на метан, аміак, сполуки сірки (H2S і SO2) І "кислі дими" (HCl, HF, HBr, HJ), а також інертні гази; вільний кисень повністю відсутній. Вивчення вмісту газових бульбашок в найдавніших (катархейскіх) кварциту Алданского щита показало, що якісний склад цих газів повністю відповідає тому, що перераховано вище. Оскільки ця первинна атмосфера була ще дуже тонкою, температура на поверхні Землі дорівнювала температурі променистого рівноваги, що виходить при вирівнюванні потоку сонячного тепла, що поглинається поверхнею, з потоком тепла, випромінюваних нею; для планети з параметрами Землі температура променистого рівноваги дорівнює приблизно 15оC.

В результаті майже весь водяний пар зі складу вулканічних газів повинен був конденсуватися, формуючи гідросферу. У цей первинний океан переходили, розчиняючись у воді, і інші складові частини вулканічних газів - велика частина вуглекислого газу, "кислі дими", окису сірки і частина аміаку. В результаті первинна атмосфера (містить - в рівновазі з океаном - водяні пари, CO2, CO, CH4, NH3, H2S і інертні гази, і є відновної) залишалася тонкої, і температура на поверхні планети не відхилялася скільки-небудь помітно від точки променистого рівноваги, залишаючись в межах існування рідкої води. Це і визначило одне з головних відмінностей Землі від інших планет Сонячної системи - постійна наявність на ній гідросфери.

Як же змінювався обсяг гідросфери на протязі її історії? У розплавленому базальті (в астеносфері) при температуту тисячіоЗ повагою та тиску 5-10 тис. Атмосфер розчинено до 7-8% H2O: саме стільки води, як встановлено вулканології, дегазується при злитті лав. Велика частина цієї води (що має, таким чином, мантийное походження) поповнювала собою гідросферу, але частина її поглиналася назад породами океанічної кори (цей процес називається серпентінізація). Розрахунки геофізиків показують, що в Гадейський Еон і археї води в океанських западинах було мало - вона ще не прикривала серединно-океанічні хребти; в океанічну кору вона надходила не з океанів, а знизу - безпосередньо з мантії. На початку протерозою рівень океанів досяг вершин серединно-океанічних хребтів, але протягом усього раннього протерозою практично весь обсяг надходила в океани води поглинався породами океанічної кори. До початку середнього протерозою процеси серпентізаціі закінчилися, і океанічна кора знайшла сучасний склад. З цього часу обсяг океанів знову почав наростати, і процес цей триватиме, поступово сповільняться, і далі - поки на Землі не припиняться вулканічні процеси.

Якщо запитати людину: "Чому море солоне?", Він майже напевно відповість: "Від того ж, чому солона безстічні озера (на кшталт озера Ельтон, що постачає нас харчової кухонною сіллю): впадають в море річки несуть деяку кількість солей, потім вода випаровується, а сіль залишається ". Відповідь цей хибний: солоність океану має зовсім іншу природу, ніж солоність внутрішньоконтинентальних кінцевих водойм стоку. Справа в тому, що вода первинного океану мала різні домішки. Одним джерелом цих домішок були водорозчинні атмосферні гази, іншим - гірські породи, з яких в результаті ерозії (як на суші, так і на морському дні) вимиваються різні речовини. "Кислі дими", розчиняючись у воді, давали галогенові кислоти, які тут же реагували з силікатами - основним компонентом гірських порід, і витягували з них еквівалентна кількість металів (насамперед - лужних і лужноземельних - Na, Mg, Ca, Sr, K, Li). При цьому, по-перше, вода з кислою ставала практично нейтральною, а по-друге, солі витягнутих з силікатів елементів переходили в розчин; таким чином, вода океану з самого початку була солоною. Концентрація катіонів в морській воді збігається з поширеністю цих металів в породах земної кори, а ось зміст основних аніонів (Cl-, Br-, SO4-, HCO3-) В морській воді набагато вище того їх кількості, яке може бути вилучено з гірських порід. Тому геохімік вважають, що все аніони морської води виникли з продуктів дегазації мантії, а все катіони - із зруйнованих гірських порід.

Головний фактор, що визначає кислотність морської води - вміст у ній вуглекислоти (CO2 - Водорозчинний газ, і в океанах його зараз розчинено 140 трл. т - проти 2,6 трл.т, що містяться в атмосфері). В океанах існує динамічна рівновага між нерозчинним карбонатом кальцію CaCO3 і розчинним бикарбонатом Ca (HCO3)2: При нестачі CO2 "Зайвий" бікарбонат перетворюється в карбонат і випадає в осад, а при надлишку CO2 карбонат перетворюється в бікарбонат і переходить в розчин. Карбонатно-бікарбонатний буфер виник в океані на самому початковому етапі його існування, і з тих пір він підтримує кислотність океанської води на стабільному рівні.

Що стосується атмосфери, то її склад став змінюватися в протерозої, коли фотосинтезуючі організми почали виробляти (як побічний продукт своєї життєдіяльності) вільний кисень; Зараз вважається твердо встановленим, що весь вільний кисень планети має биогенное походження. Кисень, на відміну від вуглекислоти, погано розчинний у воді (співвідношення між атмосферним і розчиненим у воді CO2 складає, як ми бачили, 1:60, а для O2 воно становить 130: 1), і тому майже весь приріст кисню йде в атмосферу. Там він окисляє CO і CH4 до CO2, H2S - до S і SO2, А NH3 - До N2; самородна сірка, природно, випадає на поверхню, вуглекислота і сірчистий ангідрид розчиняються в океані, і в підсумку в атмосфері залишаються тільки хімічно інертний азот (78%) і кисень (21%). Атмосфера з відновлювальної стає сучасною, окислювальному; втім, докладніше історію кисню на Землі ми обговоримо пізніше, там, де мова піде про ранню еволюцію живих істот (глава 5).

Крім кисню та азоту, в атмосфері міститься невелика кількість так званих парникових газів - вуглекислий газ, водяна пара і метан. Складаючи незначну частку атмосфери (менше відсотка), вони, тим не менш, мають неабиякий вплив на глобальний клімат. Вся справа в особливих властивостях цих газів: будучи порівняно прозорими для короткохвильового випромінювання, що надходить від Сонця, вони в той же час непрозорі для довгохвильового - випромінюваного Землею в космос. З цієї причини варіації в кількості атмосферного CO2 можуть викликати суттєві зміни теплового балансу планети: зі зростанням коцентрации цього газу атмосфера за своїми властивостями все більш наближається до скляному даху парника, яка забезпечує нагрів оранжерейного повітря шляхом "уловлювання" променевої енергії - "парниковий ефект".

 Вік Землі та Сонячної системи. Абсолютний і відносний вік. Геохронологічна шкала. |  Еволюція земної кори. Дрейф континентів і спрединг океанічного дна. Мантійна конвекція.


 К. Ю. Єськов |  Авторське попереднє повідомлення |  Походження життя: абіогенез і панспермії. Гіперциклу. Геохімічний підхід до проблеми. |  А (додаткова). Термодинамічні підходи до сутності життя. Другий закон термодинаміки, ентропія і дисипативні структури. |  Ранній докембрий: найдавніші сліди життя на Землі. Мати і строматоліти. Прокаріотних світ і виникнення еукаріотних |  Пізній докембрий: виникнення многоклеточности. Гіпотеза кисневого контролю. Едіакарскіе експеримент. |  А (додаткова). Взаємовідносини хижака і жертви в екологічному і еволюційному масштабах часу. |  Кембрій: "скелетна революція" і пелетний транспорт. Еволюція морської екосистеми: кембрій, палеозой і сучасність. |  Ранній палеозой: "вихід життя на сушу". Поява грунтів і почвообразователей. Вищі рослини і їх средообразующая роль. Тетраподізація кистеперих риб. |  Пізній палеозой - ранній мезозой: кріоери і термоери. Палеозойські лісу і континентальні водойми - рослини і комахи. |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати