Современная физическая картина мира

Картина мира – особая форма систематизации знаний, мировоззренческий анализ различных научных теорий.

Научная картина мира (НКМ) не является совокупностью общих знаний, а представляет собой целостную систему.

В отличие от строгой теории НКМ обладает необходимой наглядностью и характеризуется гармоническими сочетаниями.

В рамках КМ знания формируются и помощью моделей. Особенности различных картин КМ выражаются в присущих им парадигмах.

ФКМ – частично-научная КМ, представляющая собой общие теоретические знания физики, которые включают четыре элемента:

Основополагающие философские и физические идеи

Фундаментальные физические теории

Основные понятия, законы и принципы

Методы и принципы физического познания

ФКМ – обобщение ранее полученных знаний о природе, определяющей ступень познания человека в окружающем мире; процесс введения в физику новых основополагающих идей, гипотез, принципов, которые меняют теорию физики.

ФКМ отвечает на фундаментальные вопросы:

1 Структура и свойства материи

2 Движение

3 Взаимодействие

4 Причинность (закономерность и случайность)

5 Пространство и время

6 Устройство и происхождение Вселенной

В процессе эволюции познания одна ФКМ сменяет другую, эта смена приводит к изменению фундаментальных представлений по всем вопросам.

Исторически первой принято считать натурфилософскую КМ Аристотеля (~6 в. до н.э.) Древние философы выстроили ряд идей, которые стали руководящими в философии и естествознании (о материи, ее движении и не уничтожимости, о всеобщей причинности т др.); были введены важные понятия (атом, стихия, эфир).

Механистическая КМ появилась в XVII веке, в рамках которой в XIX веке появилась термодинамическая картина мира, сменившаяся электромагнитной картиной мира, в рамках которой в XX веке возникает теория относительности.

В современной физической картине мира:

Временные и пространственные интервалы относительны.

Существуют три формы материи: вещество, физический вакуум, физические поля.

Одни и те же явления могут описывать динамические и статические теории. Статические теории являются более глубоким уровнем описания явлений.

Теории имеют границы применимости, между ними имеет место историческая преемственность.

Проблема элементарности

В древнегреческой философии выделялись две философские линии: линия Демокрита (все материя состоит из атомов, движущихся в пустоте; соответствуя реляционной концепции пространства – оно характеризует форму и взаимодействие тел), линия Аристотеля (нет предела делимости материи; соответствует субстанциональное продставление о пространстве и времени). По Демокриту атомы неделимые, бесструктурные первоэлементы мироздания.

Понятие «атом» появляется в химии (Роберт Бойль, «Философия химии»). Долгое время атомы считались бесструктурными, позднее в атомной и ядерной физике накопились данные о сложной структуре атома атома и атомного ядра: протоне, нейтроне, электроне и фотоне. С началом исследования космических лучей этот список пополнился: пи-мезон (пион), мюон, нейтрино. Затем появилась физика высоких энергий (элементарных частиц). Используя ускорители, стали получать больше и больше частиц (преимущественно адроны: барионы и мезоны; быстрораспадающиеся адроны – резонансы, например, пион и нуклон образуют дельта-резонанс). В итоге количество элементарных частиц превысило 300 видов. Встала задача о классификации элементарных частиц, для этого использовались квантовые числа («анкетные данные») для разбития по таксонам (используя четность, массу, время жизни, заряд, спин).

Гелл-Манн Мюррей выдвинул гипотезу, что все адроны состоят из дробно-заряженных частиц – кварков (заряд дробный , одна треть и две трети от элементарного заряда ): барионы состоят из трех кварков(3q), мезоны из кварка и антикварка.

Опытным путем установлено, что кварки существуют как часть внутри протона (партоны).

В настоящее время общепринято, что кварки принципиально не наблюдаемы в свободном состоянии, это связано с тем, что существует «заточение» кварков внутри элементарных частиц («конфаймент»).

Проблема космогенезиса

Проблемами космогенезиса занимается космология (физическое учение о Вселенной в целом, ее строении, происхождении, эволюции). Общая теория относительности (ОТО), теория Великого объединения (ТВО) – теоретическая база, экспериментальный базис – современная астрономия, физика космических лучей (ФКЛ).

Эволюция космологических представлений:

Аристотель

Шарообразная однородная Вселенная

Птолемей

Геоцентрическая модель

Коперник

Гелиоцентрическая модель

Джордано Бруно

Полицентрическая модель

Ньютон

Безграничная бесконечная однородная неизменная Вселенная

Эйнштейн: Однородная изотропная, равномерно заполненная материей, преимущественно в форме вещества, неизменная (стационарная)

А. Фриман, Ж. П. Ламетр, Г. Гамов

Современная космическая модель (СКМ)

Стандартная космическая модель Большого Взрыва и горячей расширяющейся Вселенной (БВ и ГРВ)

Основные принципы СКМ: Вселенная однородна и изотропна, фундаментальные константы неизменны, наличие четырех видов фундаментальных взаимодействий.

Применение ОТО ко Вселенной в целом показало, что Вселенная расширяется (Алекса́ндр Алекса́ндрович Фри́дман).

Большой Взрыв дал начало веществу, пространству и времени Вселенной.

Начальное состояние – первичная сингулярность (бесконечная большая плотность и температура)

В 40-е годы XX века представление Фридмана были дополнены Георгием Гамовым в модели горячей расширяющейся Вселенной. Согласно этой модели, .

Учитывая эту закономерность, выделили ряд этапов в развитии Вселенной:

Планковский момент (10^-43с) – Вселенная становится физической.

Адронная эра (от 10^-23 до 10^-6 с) – образование адронов, в результате аннигиляции барионов и антибарионов, образовавшихся в результате распада хиггсов (но распад хиггсов не симметричен по отношению к веществу и антивеществу).

Лептонная эра (~10c) – отделение слабого взаимодействия от электрослабого взаимодействия, процесс образования нейтронов, протонов и электронов.

Фотонная эра (~1 мин), T~10⁶К – ядерный синтез, к концу эры – термолизация системы (тепловое равновесие), излучение отделяется от вещества и начинает охлаждаться отдельно.

Эра вещества (~10 тыс. лет), этапы:

30 тыс. лет – Вселенная прозрачна для электромагнитного излучения

1-2 млрд. лет – начало образования галактик

3 млрд. лет - галактические скопления

3-4 млрд. лет – сжатие протогалактик

4.1 млрд. лет – образуются первые звезды

5 млрд. лет – рождение квазаров и звезд первого поколения

10 млрд. лет – образование звезд

15.2 млрд. лет – образование межзвездного облака, давшего начало Солнцу

15.3 млрд. лет – сжатие протосолнечной туманности, образование Солнца

15.4 млрд. лет – образование планет, затвердевание их поверхности.

Эксперименты, подтверждающие СКМ:

1. Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и расстояние до них линейным образом[1]:

cz = DH0

Где z — красное смещение галактики, D — расстояние до неё, H0 -коэффициент пропорциональности, называемый постоянная Хаббла. При малом значении z cz = Vr, где Vr-скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя, и закон принимает классический вид: .

С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной (в предположении, что «разбегание» галактик действительное) Этот возраст с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.

2. Реликтовое электромагнитное излучение (излучение, которое отделилось от вещества и охлаждалось независимо)

3. Соотношение водорода и гелия в звездах (¾ – водород, ¼ — гелий)

4. Возраст метеоритного вещества

Существует ряд проблем, которые пока не находят решения:

Первичная сингулярность (решают в рамках представления и физике вещества)