Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные концепции естествознания. Учебное пособие
.pdf
31
Таблица 2
Последовательность событий после Большого Взрыва
Событие (явление)
Черная дыра (все фундаментальные силы природы — гравитация,
взаимодействие и магнетизм объединены).
Отделение гравитации от других сил. Начало раздувания.
Сильное взаимодействие отделяется от электромагнитного и слабого
взаимодействия. Раздувание заканчивается. Вселенная заполнена
горячей элекрон-кварковой смесью.
Разделение электромагнитного и слабого взаимодействия. Объединение
кварков с образованием протонов; объединение протонов и электронов
с образованием нейтронов. Образование гелия и других легких элементов
в результате нуклеосинтеза.
Вселенная становится прозрачной. Разделение вещества и излучения,
которое впоследствии наблюдается как микроволновое фоновое излучение.
Начало образование протогалактических структур, но большинство из них
все еще недоступны для наблюдения. Образование некоторых наблюдаемых
квазеров и радиогалактик.
Образование большинства галактик, включая Млечный Путь.
Образование Солнца и планет. Зарождение жизни на Земле.
С. Вусли и Т. Уивер (1985 г.) пишут, что ничто не может сравниться с
ними по абсолютной мощности. В течение первых 10 с, когда одна звезда сжимается, становясь нейтронной звездой, ее центральная область поперечником
32 км излучает столько энергии, сколько все остальные звезды и галактики в
наблюдаемой Вселенной, вместе взятые. Еще другое сравнение: энергия этой
10-секундной вспышки в 100 раз больше, чем излучает Солнце за все
10 млрд лет своей жизни.
Указанными выше авторами описана Грандиозная Сверхновая звезда
1987 А. 23 февраля 1987 г. астрономы увидели крупным планом катастрофическую гибель массивной звезды. Эта история началась около 11 млн лет назад в
богатой газом области Большого Магелланова облака. В течение последующих
десяти миллионов лет эта звезда, как и многие другие, вырабатывала энергию в
ходе реакции превращения водорода в гелий.
32
Когда во внутренней области, составляющей 30 % массы звезды, закончилось превращение углерода в гелий, центральные слои стали постепенно
сжиматься.
Повышение давления и температуры в ядре привело к загоранию нового
более тяжелого ядерного вещества — гелия. Запас гелия в ядре был также исчерпан, превратившись в углерод и кислород. Затем повторяется этот же сценарий: образуются неон, магний и натрий. Затем наступает очередь выгорания
неона, за ним кислорода и в конце кремния и серы. Таким образом, ядро звезды
прошло через последовательные стадии горения с все увеличивающейся скоростью. Горение гелия продолжалось около 1 млн лет, углерода — 12 тыс. лет,
неона — 12 лет, кислорода — 4 года, и, наконец, кремния — всего неделю. В
результате последовательного выгорания химических элементов не только ядро, но и оболочка звезды начинает сжиматься.
После интенсивного горения кремния и серы, продолжавшего неделю,
ядро звезды состояло из железа и других элементов — никеля, хрома, титана,
ванадия, кобальта и марганца.
На этой стадии эволюции звезды ядро начинает сжиматься, и наступает
коллапс. Когда плотность в центре зарождающейся нейтронной звезды превысила плотность атомных ядер (270 трлн г на кубический сантиметр) сколлапсированное ядро излучает поток нейтронов, в ядре звезды начинается обратный
процесс и происходит взрыв, рассеивая во Вселенной «семена жизни» — химические элементы.
Изучение сверхновых звезд еще полнее позволяет понимать эволюцию
материи после Большого взрыва.
Современные научные представления о возрасте Вселенной, связанной с
моделями эволюции Вселенной, позволяют считать, что наша Солнечная система образована в результате взрыва звезды, по крайней мере, второго поколения, т. е. в результате взрыва сверхновой звезды в одной из галактик.
Сознательно ограничив обсуждение происхождения и эволюции Вселенной, следует отметить, что наука все больше и больше накапливает научные
данные, позволяющие подобрать правдоподобную модель Вселенной.
Выводы:
1. Интеграция космологии и физики элементарных частиц позволила
расширить научное представление об образовании Вселенной.
2. В настоящее время в космологии сформировалось представление о том,
что Вселенная образовалась в результате Большого взрыва.
33
3. С момента Большого взрыва вселенная продолжает до сих пор
расширяться.
4. Возникновение сверхновых звезд, и их коллапс и взрыв, является важ-
ным звеном эволюции материи поля Большого взрыва.
5. Солнечная система образовалась после Большого взрыва.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Какая космическая модель развития вселенной ныне общепринята?
2. Каков возраст Вселенной?
3. Какова роль Сверхновых звезд в эволюции материи?
2.2. Пространство и время
Все, что составляет частицу Вселенной, имеет свое конкретное положение, описываемое пространственно-временным измерением. Обыденные представления о пространстве и времени, возникшие в глубокой древности, отражали наивные представления о природе. Многие народы представляли Землю в
виде плоскости, размещенной на спинах тех или иных животных. Эту плоскость, по этим представлениям, окружал небесный купол, соединяющийся с
землей по краям умозрительной плоскости.
Стремление людей понять окружающий мир постепенно трансформировало эти обыденные знания в научные знания.
Как известно, научное законченное для своего времени представление о
пространстве создал древнегреческий мыслитель Евклид, который явился основателем евклидовой геометрии — учения о трехмерном пространстве.
Обращение к проблеме пространственного расположения Земли в космическом пространстве способствовало развитию учения о пространстве.
Долгое время в мировоззрении людей господствовало представление о
геоцентрической системе: неподвижная Земля, а в пространстве вокруг нее двигаются небесные тела. Такая точка зрения просуществовала со времен Птоломея (основателя геоцентрической модели мира) до XVI в.
Физическая картина мира стала выглядеть принципиально по-новому, когда Н. Коперник обосновал гелиоцентрическую систему мира. Согласно новому представлению признается подвижность Земли, и тем самым она перестает
быть центром вращения Вселенной. Это же учение о модели способствовало
34
развитию естественнонаучной мысли о безграничности и бесконечности пространства.
Физическая картина мира в последующем была дополнена учением Ньютона (XVII в.) о всемирном тяготении. Гравитационная модель Вселенной
окончательно утверждает представление о бесконечном пространстве, в котором находятся связанные силой тяготения космические объекты.
В создании научной картины мира занимало важнейшее физическое понятие — время. Первая теория времени была сформулирована Ньютоном в его
работе «Начала». Сущность времени и пространства Ньютон представлял как
«вместилища самих себя и всего существующего». Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка
положения.
А. Эйнштейн в 1905 г. предложил новую теорию пространства и време-
ни — специальную теорию относительности (СТО). В рамках этой теории про-
странство и время объединяются в четырехмерное пространство. В 1911 г.
Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (ОТО). Согласно
данной теории свойства пространства и времени определяются распределением
и движением материи в пространстве. При наличии в пространстве тяготеющих
масс, и, соответственно, поля тяготения, пространство искривляется и становится неевклидовым.
В основе общей теории относительности лежит использование сложного
математического аппарата, рассмотрение которого выходит не только за рамки
задач настоящей учебной дисциплины, но реальных возможностей гуманитариев-студентов.
Теория относительности формулирует новые представления о пространстве и времени. Приведем некоторые из них: 1) атомные часы на поверхности
Солнца должны идти медленнее, чем такие же часы на поверхности Земли;
2) искривление в направлении центра светового луча; 3) звезды, израсходовавшие свой запас термоядерного горючего, должны испытать коллапс, превращаясь, в конечном счете, в «черную дыру»; 4) независимость скорости света от
движения системы его источника.
Во Вселенной каждый космический объект имеет свои координаты и взаимодействия любой момент времени.
Реальная картина мира сохраняется, как известно из физики, за счет четырех основных типов сил: 1) гравитационных; 2) слабых; 3) электромагнитных
4) ядерных.
Рассмотрим эти силы.
35
Источником гравитационной силы является так называемая гравитационная масса, своего рода гравитационный «заряд». Аналогично электростатическая сила порождается электрическим зарядом. Масса и заряд частицы имеют
определенные значения, которые свидетельствуют о том, насколько сильно на
частицы действуют соответственно гравитационная и электромагнитная силы.
Эти силы действуют независимо друг от друга, и между зарядом тела и его массой не существует определенного соотношения. В отличие от массы электрический заряд может быть как положительный, так и отрицательным. Два противоположных знака притягиваются, а две звезды, имеющие одинаковые знаки,
отделяются.
Отталкивание зарядов одинаковых знаков можно продемонстрировать,
потерев два воздушных шарика тканью. Некоторое число внешних электронов
атомов шерсти перейдет к атомам воздушных шариков, и шарик будет заряжен
отрицательно. Если один из шариков привязать к другому, то они будут отталкиваться, даже не коснувшись друг друга, демонстрируя пример силы, действующей на расстоянии.
Формула гравитационной силы, описываемой законом всемирного тяготения, сила (F), действующая между двумя заряженными частицами, пропорциональна произведению зарядов q1 q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними (закон Кулона):
F = q1 q2/r2.
В повседневной практике мы сталкивался с магнитной силой, когда имеем дело с постоянными магнитами, электромагнитами, катушками индуктивности, электромембранами и т. д. Все эти проявления магнитной силы могут быть
сведены к фундаментальному взаимодействию между движущимися зарядами,
или между токами (поскольку движущийся заряд представляет собой ток).
Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отдают энергию в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Видимый свет является
электромагнитным излучением определенного диапазона частот. Говоря о роли
электромагнитных сил в природе, необходимо подчеркнуть, что структура и
поведение атомов, а также химические и биологические явления обусловлены
электромагнитными силами. Электромагнитные силы, как и гравитационные,
пронизывают всю Вселенную, соответственно, они являются дальнодействующими. Ядерные силы. Этот термин используется для характеристики взаимодействия на уровне атома. Как известно, любое атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, а силы, обуславливающие взаимодействие, называются ядер-
36
ными силами (или сильным взаимодействием). Ядерные силы препятствуют
распаду атомных ядер. Значит, без сильного взаимодействия атомное ядро распалось бы. Сильное взаимодействие действует на расстоянии 10
-15
м и обеспе-
чивает устойчивость ядра атомов к разрушению. Как видим, эти силы являются
близкодействующими.
Слабые силы. Эти силы ответственны за многие ядерные процессы. Слабое взаимодействие возможно на расстоянии 10
-15
–10
-22
см и связано с распадом
частиц. Согласно современным знаниям ядерной физики большинство частиц
нестабильно именно из-за слабого взаимодействия. Рассмотренные силы являются силами близкодействия.
Таблица 3
Общие сведения о силах природы
Силы природы
Виды взаимодействия
Пределы действия
Гравитационные силы
Дальнедействие
Электромагнитные силы
Дальнедействие
Вселенная
Ядерные силы
Близкодействие
Ядро
Слабые силы
Близкодействие
Ядро
Все эти силы проявляют себя не только в отношении неживой, но и живой природы.
Мы здесь использовали традиционные термины «дальнедействие» и
«близкодействие». Эти термины использованы в ряде учебников по концепциям современных естествознаний. Эти два термина сыграли важную роль в формировании физико-космологической картины мира. Так, Р. Декарт, основатель
первой универсальной картины мира, создал представление о том, что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных материальных частиц. Взаимодействием элементарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые физические явления — теплоту, свет, электричество,
магнетизм. Он, таким образом, ввел в научную картину мира идею близкодействия.
Новая научная картина мира, созданная И. Ньютоном, — это физическая
гравитационная картина мира. В теории Ньютона присутствует так называемое
дальнедействие. Пользуясь понятием «дальнедействие», оказалось возможным
математически описать влияние Солнца на движение расположенных далеко от
него планет. Идея о дальнедействии оказалась также применимо для объяснения электрических или магнитных притяжений.
37
Идея о дальнедействии рассматривает, как отмечает С. Лилли (1981 г.),
влияние Солнца на другую планету «без посредства какой-либо среды или механизма, переносящего это влияние к планете».
Что касается теории Эйнштейна, то она с самого начала была теорией поля: присутствие Солнца приводит к деформации окружающего пространства.
Эта деформация, распространяясь все дальше от Солнца, порождает искривленное пространство — время, а кривизна определяет форму орбит планет.
Иначе говоря, центральное место в теории Эйнштейна занимает идея объединения пространства и времени в единый четырехмерный мир: пространство —
время. Следует подчеркнуть, что эта теория надежно установлена и проверена,
однако к некоторым ее выводам нелегко привыкнуть, поскольку с релятивистскими явлениями не приходится сталкиваться в повседневной жизни. В настоящее время релятивистская теория тяготения наиболее активно используется и
развивается в связи с задачами астрофизики и космологии. Можно без преувеличения сказать, что в настоящее время теория относительности становится достоянием общественной культуры. Она необходима не только узким специалистам, но и всякому образованному человеку как важный элемент его мировоззрения.
Выводы:
1. Конкретное положение любой частицы Вселенной оценивается про-
странственно-временным измерением.
2. В основе евклидовой геометрии лежит учение о трехмерном пространстве.
3. Физическое понятие «время» неотделимо от понятия «материя».
4. В рамках специальной теории относительности пространство и время
объединяются в четырехмерное пространство — время.
5. Реальная картина мира сохраняется за счет четырех основных типов
сил — гравитационных, электромагнитных, слабых и сильных.
6. Теория поля А. Эйнштейна объясняет, что Солнце порождает искрив-
ление пространства — времени, а кривизна поля определяет форму орбит
планет.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Как вы понимаете сущность геоцентрической модели мира?
2. Как вы понимаете сущность гелиоцентрической модели мира?
3. В чем принципиальное отличие учения И. Ньютона о картине мира от
геоцентрической и гелиоцентрической модели мира?
38
4. Что принципиально нового содержится в специальной теории относи-
тельности для объяснения научной картины мира?
5. Какие новые представления формулирует общая теория относительности?
6. Поясните: за счет каких четырех основных типов сил сохраняется
структура мира?
7. Какие основные силы природы обуславливают близкодействие и даль-
недействие?
8. Почему следует считать, что теория относительности является одним
из элементов общечеловеческой культуры?
2.3. Порядок и беспорядок в природе
До XIX в. в науке господствовала точка зрения: все взаимосвязано, одинаковые причины всегда приводят к одинаковым следствиям, а эволюция следует непреложным законам. Однако, начиная с Дарвина, в научную мысль входит понятие вероятности: такие концепции, как адаптация, мутация (изменчивость наследственности) и выживание наиболее приспособленных, вводит идею
смертности. Именно с этого момента в науке начинаются дискуссии о соотношении необходимости и смертности.
Как известно, наука оперирует законами. Закон — это формулированное
изложение соответствия между рассматриваемыми явлениями. Например, законы всемирного тяготения отражают реальность, скажем, небесной механики.
Закон, в целом, исключает неопределенность и хаотичность. В целом, в науке
господствовала детерминистская точка зрения. Так пришли к механической
картине мира и «лаплассовскому детерминизму». В то же время наука сталкивалась с явлениями, которые нельзя формализовать, которым нельзя придавать
однозначный характер. Это впервые было детально рассмотрено при изучении
физических свойств газов. Была высказана новая точка зрения, что закономерности, наблюдаемые в поведении массы газа как целого, есть результат хаотического движения составляющих его молекул. Было показано принципиальное
отличие механики отдельной частицы от механики большой совокупности частиц. Тем самым было подчеркнуто, что большие системы характеризуются параметрами (давление, температура и др.), не применимыми к отдельной частице. Идея элементарного беспорядка, или хаоса, устранила противоречие между
механикой и термодинамикой.
39
В науке постепенно утвердилось понимание, что необходимость (явление
строго в соответствии с законами) и случайность (беспорядок, хаос, неопределенность явления) неотделимы друг от друга. В природе всегда происходит
взаимодействие между ее составляющими, которые приводят к новым непредсказуемым явлениям. Иначе говоря, законы взаимодействия всегда оставляют
место для неопределенности (беспорядка, хаоса). Из этого же следует, что в
природе есть некая свобода (элемент случайности).
В квантовой физике еще относительно давно был принят принцип неопределенности (Гейзенберг).
Надо также отметить, что было установлено, что и в простых динамических системах, которые считались со времен Ньютона и Лапласса подчиняющимися определенным и необходимым законам механики, возможны случайные явления.
Таким образом, реальная действительность включает непредсказуемое,
т. е. элемент случайности. Это суть понимания порядка, беспорядка и хаоса.
Принцип неопределенности, как вначале предполагалось, касается бесконечно малого, что этот принцип действует на уровне микромира (например,
атома). Затем обнаружилось, что даже орбиты планет при определенных условиях могут быть хаотичными. Например, один из спутников Юпитера движется
по такой орбите, что никто не может предугадать, каким будет направление его
движения в течение ближайших трех дней. Такое утверждение может показаться поразительным, но это факт.
Таким образом, теория хаоса положила конец упрощенному детерминизму, господствовавшему на протяжении столетий в научной мысли.
И. Пригожин и И. Стенгерс называют все системы хаотическими. Это
значит, что такие системы нельзя описать однозначно детерминистично. Из
этого следует, что знание о сегодняшнем состоянии системы в данный момент
не позволяет точно предсказать будущее состояние в конкретный момент времени. Хаос, как выражение смертности, не обладает абсолютной свободой. В
картине хаоса просматривается порядок, или, иначе говоря, необходимость. На
справедливость последнего указывает статистическая устойчивость. Последнее
наиболее наглядно доказано на примере вероятности молекул оказаться в конкретном объеме. Не прибегая к математическим формулам, на основе данных
физики отметим, что столкновения молекул приводят к тому, что часть из них
уходит из рассматриваемого интервала значений скорости. Однако другие
столкновения приводят к появлению новых молекул в указанном интервале. В
результате поддерживается определенный порядок — число молекул в данном
интервале значений скорости остается практически неизменным.
40
Столкновения большинства молекул обуславливают случайность в картине движущихся молекул. Они же поддерживают термодинамическое равновесное состояние газа, характеризующееся определенными вероятностями, через которые и проявляется оптическая устойчивость.
В природе всегда проявляется двойственность: с одной стороны, она выступает как организующее начало, устанавливает законы и порядок и; с другой,
нарушает этот порядок, допуская ошибки и оставляя место для переменчивости
и непредсказуемости, иными словами для разнообразия. Последнее распространяется на эволюционный процесс.
Эволюция является результатом соотношения порядка и беспорядка.
Условиями формирования новых структур (систем) является: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуации.
Развитие системы в конечном итоге приближается к порогу устойчивости
системы. Пройдя этот этап, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации.
Последовательность бифуркаций, возникающая при углублении неравномерности в системе, меняется, и процесс пойдет по разным сценариям. На языке математики описаны законы перехода системы к хаотическому состоянию.
В заключении отметим еще одно научное положение. Математик Френк
Платон Рамсей в 1928 г. доказал, что любая структура обязательно содержит
упорядоченную подструктуру. Опираясь на теорию Рамсея, математик Теодор
С. Иоцкин провозгласил, что полный беспорядок невозможен. Таким образом,
когда речь идет о состоянии порядка и беспорядка в природе, необходимо помнить следующие два положения из теории Рамсея: 1) полная неупорядоченность невозможна; 2) каждое достаточно большое множество чисел точек или
объектов обязательно содержит высокую упорядоченность.
Выводы:
1. Ч. Дарвин ввел в науку понятие «вероятность».
2. Необходимость и случайность как проявления определенности и слу-
чайности.
3. Принцип неопределенности касается малых больших объектов природы.
4. Эволюция является результатом соотношения порядка и беспорядка.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Какими терминами в биологии описывается понятие «вероятность»?
2. Каково соотношение порядка и беспорядка в природе?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]