Земная природа у рубежа?

Геолог: поворот эволюции!

Кристаллохимический закон утверждает: чем проще химический состав вещества, тем выше его кристаллическая симметрия.

Поваренная соль элементарна по химическому составу - натрий и хлор, а ее кристалл относится к высшей системе симметрии - кубической. Это означает, что он обладает небольшим числом элементов симметрии. В кубике поваренной соли мысленно можно провести 9 плоскостей симметрии и 13 осей симметрии.

Химия алмаза еще проще - чистый углерод. Если мысленно соединить основаниями две пирамиды, то получим алмазный кристалл - октаэдр - восемь ослепительных треугольных граней. Его кристаллическая система также кубическая, у него также велико число элементов симметрии.

У вольфрамита химический состав уже сложнее: вольфрам, марганец, железо, кислород. Кристаллическая система одна из низших - моноклинная. Всего одна плоскость симметрии и одна ось симметрии.

Еще более богаты химическими элементами, например, плагиоклазы - одна из самых распространенных на земле групп минералов. В камне, который лежит около вашего дома, они наверняка присутствуют. Их общая формула Na [AlSi₃O₈] X Са [Al₂Si₂O₈]. У плагиоклазов вообще отсутствуют оси и плоскости симметрии. Они относятся к самой низшей системе - триклинной.

Сотрудники Всесоюзного нефтяного геологоразведочного института Л. Смирнов и О. Колобзаров решили исследовать, как участвует время в известном законе, о котором мы только рассказывали? Отразилось ли оно как-то в устройстве минералов? Проследить судьбу отдельных минеральных групп оказалось под силу. Избранными оказались самородные металлы и простые сульфиды (сульфиды - минералы, в состав которых входит сера).

Более 600 миллионов лет назад - в докембрийскую эру - в земных недрах появились в больших количествах платина, железо, алмазы, медь, золото, а из сульфидов - галенит, сфалерит, пентландит и ряд других. Зарождались они и позже в земле, но в каких количествах... Скажем, месторождения алмазов, известные сегодня, образовались в основном в докембрии. В то время золото присутствовало почти на всех континентах. Известны и более молодые золотоносные районы, однако опять-таки их несравненно меньше, чем более древних.

Все названные самородные элементы относятся к высшей - кубической системе.

В более позднее время недра обогащались уже другими самородными элементами. Через 200-400 млн. лет после докембрийской эры - в позднем палеозое - пришла очередь цинка. В самородном виде он встречается очень редко. Но из этого малого количества его больше всего возникло именно тогда. Кристаллы цинка относятся к гексагональной симметрии - это низшая, по сравнению с кубической системой, симметрия, следующая за ней. Проходит еще 100 млн. лет, в мезозойскую эру в изобилии откладываются в недрах олово, мышьяк, висмут, ртуть. Это представители тетрагональной и тригональной систем - еще более низших, чем гексагональная.

С простыми сульфидами - та же история. Те, что принадлежат к кубической симметрии, как уже отмечалось, главным образом образовались в докембрии. Позже - в позднепалеозойскую эру - появилось много молибденита (больше, чем в какие-либо другие геологические времена). Молибденит имеет гексагональную систему симметрии. 100 млн. лет спустя - в мезозойскую эру - недра пополняются вюртцитом, киноварью, миллеритом, принадлежащими к еще более низшим системам симметрии.

Кайнозойская эра началась около 70 млн. лет назад. Простые сульфиды представлены в ней обширными залежами антимонита, марказита, висмутина. Их система симметрии - ромбическая, следующая за тригональной. В то же время образуется много реальгара и аурипигмента - соединений мышьяка с серой. Это уже моноклинная система, следом идет только триклинная, и весь ряд систем симметрии на этом заканчивается.

Подчеркнем еще, что все названные минералы - это химические соединения одного класса, они появлялись во все геологические времена, но в разных количествах. Если иметь это в виду, то выясняется, что в древности отлагались главным образом минералы простого химического состава и высоких систем симметрии, а ближе к нашему времени - химически более сложные, зато относящиеся к "низам" симметрии.

Даже полиморфные минералы - те, что имеют один химический состав, но различаются по системам симметрии, подчиняются этой закономерности. Например, пирит и марказит. У них один состав - FeS₂. Пирит принадлежит к кубической системе, его самые большие отложения появились давно. Второй относится к ромбической - он широко распространился в последние 70 млн. лет. То же самое подтверждают и другие полиморфные пары.

Время вполне определенно влияло на жизнь минералов. В течение геологической истории Земли все больше рождалось минералов сложного химического состава, но простой симметрии - происходила потеря элементов симметрии природных кристаллов.

Известный кристаллограф Е. Федоров в 1890 г. теоретически доказал, что может существовать 230 пространственных групп кристаллической симметрии. Все эти группы распределены по семи системам симметрии, о которых шла речь выше. Последняя - низшая - триклинная. А какая система последует в будущем за ней? Ведь мы установили, что вместе с ходом геологических часов во все нарастающем количестве рождаются минералы низших систем. Продолжать их ряд, согласно открытию Е. Федорова, некуда. Представьте, что новые виды растений на Земле не могут появиться, а наиболее распространенные сегодня вымирают. Что будет вместо них расти на Земле?

Какие кристаллы вырастут в недрах нашей планеты вслед за теми, что известны сейчас? Еще более сложного химического состава и с неизвестными системами симметрии?

Если они только окончательно не исчерпаны... Потеря элементов симметрии обнаружена и у сульфидов, которые найдены на метеоритах. Возможно, что подмеченная закономерность соблюдается и на других планетах, геологи не встретят на них новых систем симметрии. В этом смысле не открывает далей и искусственный синтез минералов. Симметрия синтетических кристаллов описывается теми же 230 пространственными группами. Потерю элементов симметрии со временем демонстрируют и более солидные природные тела.

"Земля имеет форму чемодана". Откуда взялась эта фраза? Может быть, она - насмешливый отзвук некогда известной и сейчас забытой гипотезы английского ученого Л. Грина? В 1875 г. Л. Грин опубликовал статью, в которой говорилось о том, что земной шар обладает признаками тетраэдра - замкнутого четырехгранника с гранями в виде правильных треугольников. Точнее будет сказать, что у земного сфероида наблюдаются "искривления" в сторону такого четырехгранника. Ученые - современники Л. Грина - одобрительно встретили его идею. Некоторые из них указывали на то обстоятельство, что тетраэдр является фигурой, которая при данной поверхности имеет наименьший объем. Земная кора и более глубокие области планеты, согласно общепризнанной тогда гипотезе контракции, остывают и поэтому стремятся занять как можно меньше места. Тетраэдрическая поверхность представляет такую возможность гораздо лучше, чем шаровая. Ведь шар обладает наибольшим объемом при данной поверхности.

Четырьмя вершинами земного тетраэдра являются Альпы в Европе, Гималаи в Азии, Скалистые горы в Северной Америке и Южный полюс. В конце прошлого века Земле приписывали даже форму пентагонального додекаэдра - двенадцатигранника с гранями в виде пятиугольника.

Наш современник, известный кристаллограф И. Шафрановский, предложил для точного описания фигуры Земли октаэдр - восьмигранник с гранями в виде треугольника. Подчеркнем еще раз: речь идет о незначительных отклонениях формы Земли от сферы. И эти отклонения стремятся к многограннику.

Северная и Южная Америка, полуостров Индостан приближаются к треугольной форме. Вершина каждого из них смотрит на юг, а противоположная сторона - на север, на Ледовитый океан. Представим океан в виде треугольника - получится половина октаэдра. К Северному Ледовитому океану примыкают треугольники Северной Америки, Европы, Африки и Азии.

Теперь мысленно придадим треугольный вид Антарктиде. Она, как известно, находится в окружении трех океанов, которые напоминают, хотя и очень отдаленно, треугольники. Вот и вторая половина октаэдра.

Известный советский геолог Б. Личков считает, что некоторая угловатость осталась у Земли от первоначальной формы. Из космического облака пыли образовалось поначалу некое многоугольное тело. Позже под действием сил гравитации угловатость сгладилась; получился сфероид - земной шар.

Однако те "углы", которые сейчас проступают на теле Земли, представлены вовсе не древними складчатыми сооружениями. Молодость современных океанов доказана, значит, молоды и их берега - треугольники континентов. Они не старше 220 млн лет.

Выходит, что сначала из космической пыли образовался шар, который с течением времени начал принимать кристаллическую форму? Шар - фигура наивысшей симметрии, обладающая бесчисленным множеством осей и плоскостей. Тетраэдр и октаэдр хотя и принадлежат к высшей системе симметрии - кубической, но имеют ограниченное число соответствующих осей и плоскостей. Произошла потеря элементов симметрии.

Кольцевые структуры горных пород широко развиты на древних щитах в Нигерии, Сибири, Казахстане, Шотландии, на Кольском полуострове.

"Кольца" встречены также на поверхности Луны и Меркурия. На Луне наиболее древние из них "смыкаются" в единую петлеобразную сеть, а те, что помоложе, вытягиваются в линейные ряды цирков. Возможно, что кольцевое расположение пластов свидетельствует о былых шарообразных формах. Проступает известная закономерность: складчатые структуры развиваются от фигур высшей системы симметрии к фигурам с более низкой симметрией. Упрощение симметрии - всего лишь внешние симптомы внутреннего развития. В конце концов, форма каждого кристалла определяется расположением его атомов и молекул. Элементы симметрии - не что иное, как удобный вид "записи" различных комбинаций этих атомов и молекул.

Так потеря элементов симметрии в неживой природе с течением времени сигнализирует об изменениях на молекулярном уровне. Создается впечатление, что природа провела земное вещество через все известные комбинации и в настоящее геологическое время исчерпала их. Современная геологическая эпоха оказывается исключительной в истории Земли, ее поворотным моментом.

"Кто решится сказать, что именно эта форма постройки - самая совершенная, кто решится утверждать, что... этот этап последний в судьбах атома и что нет за ним еще следующих, не познанных нами форм, где равновесие системы материального мира не будет напоминать ни нашу Солнечную систему, ни геометрическую форму кристалла",- сказал академик А. Е. Ферсман.

Исключительность современного геологического периода подтверждает и анализ важнейших геологических этапов в жизни Земли. Известны рубежи этапов осадконакопления: 3600, 3025, 2500, 2025, 1600, 1225, 900, 625, 400, 225, 100, 25 млн. лет. Эти рубежи установил геолог А. Гроздилов. Отсюда нетрудно вычислить продолжительность каждого этапа и заметить, что каждый из них на 50 млн. лет короче предыдущего. А последний этап - его продолжительность 25 млн. лет - не сокращается на эту величину.

Л. Смирнов указывает, что потеря элементов симметрии наблюдается и в живой природе: происходит развитие от шаровой симметрии к радиально-лучевой. С другой стороны, усложняется уровень организации живого вещества. Закономерность, подмеченная для косной природы, проявляется и в живой? Можно заметить, что появление разума на Земле несомненно свидетельствует об исключительности современной эпохи. Органическая и неорганическая жизнь достигли какого-то важного рубежа одновременно.

Физик: Земля - только причал разумной жизни!

В особую оболочку Земли выделили ученые место обитания людей. Академик В. И. Вернадский в свое время назвал ее "ноосфера", что дословно можно перевести как сфера разума. Здесь вещество организовано в том порядке, который удобен для человека: машины, механизмы, дома, поля...

Как будет развиваться ноосфера дальше? Возможно, люди не покинут привычное место жительства. Они будут без конца совершенствовать и расширять свою колыбель, сумеют построить летающие и плавающие поселения, где места хватит всем. Есть такие фантастические проекты городов, уходящих за облака на десятки километров или опускающихся далеко в глубь Земли.

К. Э. Циолковский утверждал другое: человечество не останется вечно на своей планете. Последователи К. Э. Циолковского говорят сегодня, что Земля является берегом Вселенной и когда-нибудь караваны космических судов отплывут от земных причалов. Доктор технических наук, профессор Г. Покровский оценил развитие ноосферы совершенно с новых позиций согласно закону статистической термодинамики. Он представил организационную деятельность человека за всю историю его развития как модель испаряющегося вещества.

...Первобытный человек устроил себе жилище на дереве. Мы можем сказать, что частичка ноосферы поднялась на новый энергетический уровень. Ведь квартира нашего древнего предка - это уже организованная материя. Не случайное сплетение ветвей, а преднамеренное - такое, чтобы была крыша над головой. Хижина на уровне земли обладает одной потенциальной энергией, хижина на дереве - уже большей.

Рабы выстроили первую пирамиду. Статистическая термодинамика опять должна отметить повышение энергетического уровня незначительной части ноосферы. Чем выше становились пирамиды, тем дальше от уровня земли распространялась ноосфера, росла, хотя и ничтожно, ее энергия.

Появились дома, увеличилось число их этажей. Долгое время рекорд по высоте держала Эйфелева башня, затем американские небоскребы, а сейчас - Останкинская телебашня. Однако уже первый самолет вознес ноосферу на энергетические уровни, не доступные никакому строительству.

Каждый кусочек организованного вещества с точки зрения статистической термодинамики можно уподобить испаряющейся частичке. Как и положено, она стремится к новым энергетическим победам, к освоению новых степеней свободы. Космические ракеты - самые удачливые "броуновские" частицы. Они поднялись выше всех, и их энергетика находится на "небывалой высоте"...

Итак, частицы ноосферы "подпрыгивают" все выше и выше... Не напоминает ли это нам движение молекул воздуха, находящегося, скажем, в комнате с горячими батареями? Г. Покровский проводит соответствующие расчеты и делает вывод, что перемещение ноосферы хорошо описывает так называемая барометрическая формула. Иными словами, ноосфера на протяжении многих веков ведет себя как атмосфера, которая постепенно нагревается. В конце концов, начинается диффузия, или, проще говоря, испарение "сферы жизни" в космос. И, поскольку для испарения нужно тепло, ноосфера приобретает со временем все больше и больше энергии. Кривая на графике, иллюстрирующем этот процесс, круто забирает вверх, особенно в последние века.

Если так будет продолжаться бесконечно, то возможно, что вся масса Земли перейдет в организованное вещество и в будущем испарится в космос? Тогда человек покинет свою колыбель и обоснуется в другом месте Солнечной системы. К этому выводу нас приводят выкладки статистической термодинамики.

В каком виде предстанет в космосе организованное вещество? Может быть, в хаотическом, подобно облаку броуновских частиц? Спутники, различные ступени ракеты, межпланетные корабли, движущиеся по разным направлениям и с разной скоростью... Трудно предположить, что человечество бросит все это на ветер. Настанет время, считает Г. Покровский, когда будут приняты меры для сохранения организованного вещества, находящегося далеко за пределами Земли,- начнется кристаллизация ноосферы в космосе.

Появятся новые планеты с орбитами, удобными для землян, застроенные городами, покрытые угодьями. Возникнут, быть может, искусственные шары, более комфортабельные и долговечные, чем планеты Солнечной системы.

Впрочем, это было бы не так уж выгодно, говорит Г. Покровский. Из всех геометрических фигур шар обладает наименьшей поверхностью. Нет смысла покидать насиженные места ради того, чтобы получить во владение опять-таки шар, хотя бы и больших размеров. В конце концов, и он станет тесным для растущего человечества. Необходимо придумать новые формы обитания ноосферы.

Расчеты показывают, что кристаллизоваться в космосе организованное вещество может только в одном виде - в виде круглых орбитальных колец, в центре которых будет находиться Солнце или какая-то другая звезда. Такой околосолнечный "кристалл" будет устойчив, крепок и долговечен. Конструкция другой формы в условиях космического пространства невозможна - она не сможет противостоять силам тяготения. Фантастической крепостью должен обладать материал для такой конструкции. А кольцо можно закрутить, и тогда силы тяготения уравновесят центробежные силы. Из многих орбитальных колец можно собрать конструкцию, которая окружит Солнце или какую-то другую звезду.

Здесь Г. Покровский возвращается к своей давней идее - космической раковине. Она возникла как дальнейшее развитие широко известной сферы Дайсона - американского астронома, который предложил построить на орбите Юпитера сферу, охватывающую Солнце. Тогда люди смогут использовать почти всю солнечную энергию. Сферу Дайсона, по расчетам Г. Покровского, построить нельзя. Поэтому он и предложил заменить ее набором орбитальных колец.

Сечение кольца в профиль - это лук, изогнутый в сторону от Солнца. Причем края можно сделать сколь угодно тонкими - здесь нагрузка незначительна. Если считать, имея в виду современные конструкционные материалы, которые выдерживают нагрузку в тысячи килограммов на один квадратный сантиметр, то кольцо может иметь ширину в 1/10 своего радиуса. А материал, выдерживающий 5 х 10⁷ Па, позволит соорудить кольцо радиусом 7000 млн. км и шириной 70 млн. км.