Лекции по "Естествознанию"

Главное и почти единственное сочинение  Коперника, плод более чем 40-летней его работы, — De revolutionibus orbium coelestium («О вращении небесных сфер»). Сочинение издано в Нюрнберге в 1543 году; оно разделено на 6 частей (книг) и печаталось под наблюдением лучшего ученика Коперника, Ретика.

В предисловии к книге Коперник пишет:Принимая в соображение, какой нелепостью должно показаться это учение, я долго не решался напечатать мою книгу и думал, не лучше ли будет последовать примеру пифагорейцев и других, передававших своё учение лишь друзьям, распространяя его только путём предания. Гелиоцентрическая система в варианте Коперника может быть сформулирована в семи утверждениях:

• орбиты и небесные сферы не имеют общего центра;
• центр Земли — не центр Вселенной, но только центр масс и орбиты Луны;
• все планеты движутся по орбитам, центром которых является Солнце, и поэтому Солнце является центром мира;
• расстояние между Землёй и Солнцем очень мало по сравнению с расстоянием между Землёй и неподвижными звёздами;
• суточное движение Солнца — воображаемо, и вызвано эффектом вращения Земли, которая поворачивается один раз за 24 часа вокруг своей оси, которая всегда остаётся параллельной самой себе;
• Земля (вместе с Луной, как и другие планеты), обращается вокруг Солнца, и поэтому те перемещения, которые, как кажется, делает Солнце (суточное движение, а также годичное движение, когда Солнце перемещается по Зодиаку) — не более чем эффект движения Земли;
• это движение Земли и других планет объясняет их расположение и конкретные характеристики движения планет.
• Эти утверждения полностью противоречили господствовавшей на тот момент геоцентрической системе. Хотя, с современной точки зрения, модель Коперника недостаточно радикальна. Все орбиты в ней круговые, движение по ним равномерное, так что эпициклыпришлось сохранить — правда, их стало меньше, чем у Птолемея. Механизм вращения планет также оставлен прежним — вращение сфер, к которым прикреплены планеты. Но тогда ось Земли в ходе годичного вращения должна поворачиваться, описывая конус; чтобы объяснить смену времён года, Копернику пришлось ввести третье (обратное) вращение Земли вокруг оси, перпендикулярнойэклиптике, которое использовал также для объяснения причины предварения равноденствий. На границу мира Коперник поместил сферу неподвижных звёзд. Строго говоря, модель Коперника даже не была гелиоцентрической, так как Солнце он расположил не в центре планетных сфер.
• Реальное движение планет, особенно Марса, не круговое и не равномерное, и надуманные эпициклы неспособны надолго согласовать модель с наблюдениями. Из-за этого таблицы Коперника, первоначально более точные, чем таблицы Птолемея, вскоре существенно разошлись с наблюдениями, что немало озадачило и охладило восторженных сторонников новой системы. Точные гелиоцентрические (Рудольфовы) таблицы издал позже Иоганн Кеплер, который открыл истинную форму орбит планет (эллипс), а также признал и математически выразил неравномерность их движения.
• И всё же модель мира Коперника была колоссальным шагом вперёд и сокрушительным ударом по архаичным авторитетам. Низведение Земли до уровня рядовой планеты определённо подготавливало (вопреки Аристотелю) ньютоновское совмещение земных и небесных природных законов.

15. Основные черты неклассической науки (10-20-е гг. – 70-80-е гг. ХХ в.):

- отказ от  классической механики как основы познания и объяснения действительности, замена ее квантово- релятивистскими теориями;

- разрушение  классической модели мира –  механизма. На смену пришла  модель мира-мысли;

- смена стиля  мышления как отказ от механистических  и метафизических установок;

- вероятностный  детерминизм выражается в отказе  от динамических и введении  статистических закономерностей.  Статистические закономерности  проявляются в массе явлений,  имеют форму тенденции и описывают  состояние объекта с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов и поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость здесь проявляется через действие множества случайных факторов. Пример статистических закономерностей – законы квантовой механики и законы в обществе и истории. Понятие вероятности в статистических закономерностях выражает степень возможности наступления, осуществимости явления или события в конкретных условиях. Вероятность – это количественное выражение (мера) возможности: если вероятность события равна единице, то это действительность, при вероятности ноль – наступление события невозможно, между единицей и нулем – вся шкала возможностей;

- активная роль  исследователя в познании, признание влияния исследователя, приборов и условий на проводимый эксперимент и полученные в ходе него результаты;

- отказ от  субстанционализма, т.к. материя  неисчерпаема вглубь.

Основные черты  постнеклассической науки (с 80-х гг. ХХ в.):

- глобальный  эволюционизм: идея эволюции вышла за рамки биологии, естествознание ведет поиск закономерностей и механизмов эволюции на всех уровнях организации материи;

- самоорганизация  материальных систем: развитие сложных,  открытых, нелинейных, неравновесных  систем ведет к переходу их в неустойчивое состояние, выход из которого осуществляется путем перестройки элементов системы, возникает согласование поведения элементов, приводящее в качественно новое состояние с упорядоченной структурой. Поскольку существует множество возможных ходов развития, то выбор одного из них случаен. Порядок возникает из хаоса, случайность встроена в механизм эволюции;

- антропный принцип:  наблюдатель осознает себя частью  исследуемого мира, активно взаимодействует  с наблюдаемым объектом. Поэтому  Вселенная такова, какая она есть, потому, что в ней существует человек (наблюдатель);

- плюрализм истины: нет застывшего, неизменного образа  объекта;

- антиредукционизм: отказ от возможности объяснить  сложное чем-то простым, элементарным. Мир состоит не из элементов-кирпичиков, а из совокупности процессов – вихрей, волн, турбулентных движений, и представляет собой бесконечное многообразие взаимодействующих открытых систем с обратной связью.

- комплексность  науки: преобладают процессы интеграции, ведущие к интенсификации междисциплинарных исследований.

16Теория Большого взрыва была придумана для того, чтобы объяснить происхождение вселенной. Почему-то из знакомства с ней обычно выносят больше вопросов, чем внятных ответов.

Согласно теории Большого Взрыва, Вселенная в момент образования была в тысячи раз более плотном и горячем состоянии, чем сейчас. Этот период рождения мира в науке называют космологической сингулярностью. Момент начала расширения Вселенной, то есть окончания сингулярного состояния, и получил название Big Bang.

По теоретическим выкладкам  Вселенная возникла 13,5 млрд. лет  назад. Естественно, что жизни в  то время не наблюдалось вообще. Все дальнейшее развитие принято  делить на череду фазовых переходов  от одного состояния к другому. В  результате разбегания звезд изменяется плотность вселенного вещества, что теоретически, в дальнейшем приведет к обратному сжатию. Когда начнется возвращение к сингулярному состоянию тоже посчитано.

Вклад в копилку знаний о Большом взрыве в свое время  внесли А. Эйнштейн, В. де Ситтер, А. Фридман, А. Вейль, Ж. Леметер и многие многие другие. В 2003 году с высокой степенью точности измерили регулятивное излучение – показатель, который и помог определить возраст нашей вселенной. Большинство исследователей только сокрушались, что не смогут раскрыть все тайны Вселенной до ее сжатия.

Теория Большого взрыва значительно изменила представления  человека о космосе. Если раньше считалось, что Вселенная бесконечна, то теперь найден определенный ее предел. При  этом ученые продолжают именовать ее бесконечной, и они правы. Дело в том, что согласно выкладкам современной науки любая бесконечность конечна, поэтому и космическое пространство имеет границы.

17.. Первая модель расширяющейся Вселенной, согласующейся с общей теорией относительности Эйнштейна и наблюдениями Э. Хабблом красного смещения, была предложена советским физиком и математиком А. А. Фридманом в 1922 г. Согласно фридмановской модели и ее последубщим обобщениям, Вселенная одинакова в каждой точке пространства и во всех направлениях. Ясно, что в сравнительно малых объемах космического пространства имеются неоднородности, связанные, например, с существованием Земли и Солнца или с тем фактом, что в направлении центра нашей галактики наблюдается гораздо больше звезд, чем в других направлениях. 
 
Существует три вида обобщенных фридмановских моделей Вселенной. В одной из них галактики удаляются друг от друга достаточно медленно, так что гравитационное притяжение между ними в конце концов должно остановить их разбегание и заставить галактики сжиматься. В другой модели галактики разбегаются настолько быстро, что гравитационные силы никогда не смогут остановить их, и Вселенная будет расширяться бесконечно. Наконец, имеется и третья модель в которой скорость разбегания галактик в точности равна некоторому минимальному критическому значению, которое еще позволяет избежать сжатия Вселенной. В принципе, можно определить, какая из моделей соответствует нашей Вселенной, сравнив наблюдаемую скорость разбегания галактик с современным значением плотности масс во Вселенной. Та масса во Вселенной, которая непосредственно доступна нашим наблюдениям, не сможет остановить ее расширение. Остается открытым вопрос, достаточно ли много во Вселенной «скрытой массы», чтобы когда-нибудь расширение Вселенной прекратилось. Сейчас ученые считают, что верной является первая теория, и расширение Вселенной сменится сжатием. (см. статью «Судьба Вселенной»).  
 
В той фридмановской модели, где Вселенная со временем начнет сжиматься, пространство конечно, но не имеет границ, как и в эйнштейновской модели. В двух других фридмановских моделях Вселенная расширяется вечно, в пространство бесконечно.  
 
С другой стороны, время имеет границу (или край). Во всех этих моделях расширение начинается из состояния с бесконечной плотностью, называемого сингулярностью «Большого взрыва». В модели, где расширение сменится сжатием, есть и другая сингулярность, называемая «Большим сжатием»ею завершается процесс коллапса. 
 
Сингулярности – это такие точки, где кривизна пространства-времени становится бесконечной и сами понятия пространства и времени теряют всякий смысл. Научные теории формулируются в пространстве-времени, так что в сингулярных точках все они перестают быть справедливыми. Если до Большого взрыва и происходили какие-то события, то никакие теории все равно не смогут связать их с нынешним состоянием Вселенной, поскольку в Большом взрыве исчезает вся их предсказательная сила. Точно так же мы не в состоянии узнать, что происходило до большого взрыва по тем событиям, которые мы наблюдаем после него. Поэтому вопрос о том, что имело место до Большого взрыва, носит метафизический характер: что бы там не происходило, оно не оказало никакого влияния на нынешнее состояние Вселенной. Поэтому можно объявить, что время началось при Большом взрыве. Аналогично нет способа предсказать или повлиять на события, которые могут случиться после Большого сжатия. Поэтому его можно рассматривать как конец течения времени нашей Вселенной. 

18. По мере расширения, Вселенная остывает. Если расширение не прекратится (как в случае открытой Вселенной), то будущее Вселенной весьма не привлекательно. Звёздам в такой Вселенной суждено погаснуть, галактики и их скопления сколлапсируют в чёрные дыры, вещество станет абсолютно холодным. Как показывают расчёты, гравитационные силы не смогут противостоять расширению. В конечном итоге наступает состояние абсолютного покоя и неизменности.

В случае закрытой вселенной, гравитационные силы будут играть важную роль. В конечном итоге самопритяжение вещества преодолеет расширение и вселенная начнёт сжиматься. Как любая физическая система, вселенная при расширении остывает, а при сжатии нагревается. В конце концов, такая вселенная опять придёт к сингулярности. О том, что последует за этой сингулярностью определённо сказать нельзя. Если предположить, что вместо сингулярности происходит отскок материи, то должно сохраняться излучение с предыдущих фаз сжатия-расширения. Кроме того, как и в любой замкнутой системе, предоставленной самой себе должна возрастать энтропия. Напрашивается вывод, что даже вселенная, испытывающая периодические отскоки не способна существовать в неизменном состоянии бесконечно долго.

Две группы астрономов, тщательно исследуя свет, приходящий к нам от самых удаленных звезд, пришли к выводу, что вещество во Вселенной разлетается все быстрее и быстрее. Мало того, этот разлет будет продолжаться вечно. В работах принимали участие американские астрономы из университетов Вашингтона, Сиэтла и Берклиевской национальной лаборатории в Калифорнии. Позднее их результат был подтвержден и другими группами. Впервые за весь прошедший век сделано ясное утверждение о сценарии развития Вселенной на экспериментальной основе. Полученный результат возрождает очень популярную в начале века идею (активно опровергавшуюся Альбертом Эйнштейном) о том, что есть сила отталкивания между массами вещества, работающая против гравитационной силы притяжения. Наличие такой силы могло бы помочь объяснить открытый разлет Вселенной.

Что же будет  ожидать такую Вселенную в будущем? По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и их скопления удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, либо в нейтронные звезды, либо в черные дыры. Эра светящегося вещества закончится и вселенная погаснет. Наступит тепловая смерть Вселенной, которую предсказали Клаузиус и Гельмгольц еще в середине XIX века.

Согласно теории, разработанной английским астрофизиком С. Хокингом, черные дыры поглотят оставшееся вещество вселенной. Сами они будут медленно испаряться, выделяя в пространство поток элементарных частиц. Через 10⁶⁶лет они начнут взрываться, выбрасывая в пространство поток частиц, античастиц и излучения. Частицы аннигилируют с античастицами, и излучение равномерно рассеется в пространстве. Это будет полностью неупорядоченное состояние с максимальным уровнем энтропии.

19 В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.

Система представляет собой совокупность элементов и  связей между ними. Понятие "элемент" означает минимальный, далее уже  неделимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, в других же отношениях он сам может представлять сложную систему. Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы. Существуют два типа связей между элементами системы – по "горизонтали" и по "вертикали". Связи по "горизонтали" – это связи координации между однопорядковыми элементами. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие части. Связи по "вертикали" – это связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает уровни организации системы, а также их иерархию.

Исходным пунктом  всякого системного исследования является представление о целостности  изучаемой системы. Целостность  системы означает, что все ее составные  части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами. Свойства системы – не просто сумма свойств ее элементов, а нечто новое, присущее только системе в целом. Рассмотрим для примера молекулу воды Н₂O. Сам по себе водород, два атома которого образуют данную систему, горит, а кислород (в систему входит один атом) поддерживает горение. Система, образованная из этих элементов, вызвала к жизни совсем иное, интегративное свойство: вода гасит огонь. Наличие свойств, присущих системе в целом, но не ее частям, определяется взаимодействием элементов.

Таким образом, на каждом структурном уровне материи  существуют особые (эмерджентные) свойства, отсутствующие на других уровнях. Внутри каждого из структурных уровней  существуют отношения субординации, например, молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот. Всякая высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде. Это означает, по существу, что специфика высших форм может быть познана только на основе анализа структур низших форм. И наоборот, сущность формы низшего порядка может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней формы материи.