План семинара № 3

по теме: Физическая и астрономическая картины мира: Современные представления о Вселенной (4 часа)

1. Динамические и статистические закономерности в природе. Законы сохранения в макроскопических процессах

2. История развития представлений о Вселенной. Основные гипотезы

происхождения Вселенной. Проблема будущего Вселенной.

3. Материя во Вселенной: звёзды, межзвёздная среда, газовые туманности. Строение и эволюция звёзд

4. Антропный космологический принцип и его мировоззренческое

значение

Цель занятия: слушатели должны: знать особенности динамических и статистических законов. Понятие астрономической картины мира. Историю развития представлений о Вселенной. Иметь представление: об основных методах естествознания в изучении Вселенной; об основных проблемах, стоящих перед космологией и космогонией в настоящее время; о проблемах поиска внеземных цивилизаций; об антропном космологическом принципе и его мировоззренческом значении.

Методические рекомендации

Раскрывая первый вопрос, следует обратить внимание, что в динамических теориях явления природы подчиняются однозначным закономерностям, а статистические теории основаны на объяснении действий вероятностным закономерностями. К динамическим теориям относятся: классическая механика (создана в XVII--XVIII вв.); механика сплошных сред; гидродинамика (XVIII в.); теория упругости (начало XIX в.); классическая термодинамика (XIX в.); электродинамика (XIX в.); частная и общая теория относительности (начало ХХ в). К статистическим теориям относятся статистическая механика (вторая половина XIX в.), микроскопическая электродинамика (начало ХХ в.), квантовая механика (первая треть ХХ в.). Таким образом, XIX столетие является столетием динамических теорий; ХХ столетие -- столетием статистических теорий. Динамические теории соответствовали первому этапу в процессе познания природы человеком, тогда как на следующем этапе главную роль стали играться статистические теории.

Рассматривая дилемму соотношения между динамическими и статистическими закономерностями, современная наука исходит из концепции примата статистических закономерностей. Не только лишь динамические, но и статистические законы выражают конкретные причинно-следственные связи. Более того, конкретно статистические закономерности являются базовыми, более глубокими по сравнению с динамическими закономерностями, они ярче выражают указанные связи. Статистическими являются законы квантовой механики, касающиеся движения микрочастиц; они не в состоянии найти движение каждой отдельной частицы, но определяют движение группы, того либо другого множества.

В отличие от динамических законов, статистические законы не разрешают точно предсказать наступление конкретного события, направление и характер конфигурации тех либо других его черт. На базе статистических закономерностей можно найти только степень вероятности возникновения либо конфигурации соответствующего явления. Динамические теории не противостоят статистическим, а включаются в рамки последних как предельный вариант. Это отлично видно на примере классической механики, которую можно разглядывать как предельный вариант квантовой механики.

Таким образом, согласно современной научной концепции, можно говорить о всеобщности, универсальности вероятностного подхода. Это значит, в частности, что деление базовых теорий на динамические и статистические является, строго говоря, условным. Практически все фундаментальные теории обязаны рассматриваться как статистические. К примеру, классическую механику с полным основанием следует считать статистической теорией, так как лежащий в её базе принцип наименьшего деяния имеет вероятностную природу, потому что, согласно принципу минимума энергии, состояние с наименьшей энергией оказывается более вероятным.

Изучение законов сохранения необходимо начать с выяснения основных форм структурной организации материи на уровне макромира, а также содержание ряда принципов, таких, как, например, принцип иерархического строения макромира, принципы взаимосвязи необходимости и случайности, закономерности и вероятности, единства симметрии и асимметрии, а также принцип единства хаоса и самоорганизации макромира.

Необходимо раскрыть содержание ряда законов, действующих в макромире: закон сохранения энергии (первое начало термодинамики), закон энтропии (второе начало термодинамики). Основные положения теории относительности А. Эйнштейна можно представить как выражение эффектов релятивистского сокращения длины и релятивистского замедления времени в специальной теории относительности, и зависимость пространства и времени от поля тяготения, создаваемого инертной и тяжелой массой, в общей теории относительности. В качестве мировоззренческого вывода следует показать взаимосвязь материи с движением, пространством и временем и глубокую зависимость пространственно-временного континуума от внутренних связей и распределения материи во Вселенной.

Изучая второй вопрос, необходимо проанализировать основные гипотезы происхождения Вселенной. Покажите ее модели, связанные с развитием космологии в ХХ в. В рамках релятивистской космологии следует обратиться к моделям «стационарной» Вселенной А.Эйнштейна и «нестационарной» Вселенной А.Фридмана. В дальнейшем целесообразно более подробно рассмотреть гипотезы «горячей» Вселенной Г.А. Гамова и «Большого взрыва», отмечая ряд стадий, которые проходит в своем развитии Вселенная: сингулярности, расширения, сжатия и пульсации. В качестве оснований данных гипотез можно выделить явление «красного смещения», реликтовое излучение, обоснование Э. Хабблом процесса «разбегания» галактик и расширения Вселенной и другие.

Обратите внимание, что Большой взрыв связан с так называемой эрой Великого объединения: возраст Вселенной всего лишь 10^-34 с., а температура около 10²⁷ К. Выделение громадной энергии приводит к порождению из физического вакуума множества разнообразных аннигилирующих виртуальных частиц. Космос заполняется смесью из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных. Важнейшими ее составляющими были, вероятно, сверхмассивные частицы -- переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х- и Y-частицы. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества.

По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом, но при этом остался избыток вещества по отношению к веществу в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество возникло благодаря оплошности природы. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) В результате аннигиляции возникло мощное гамма-излучение. По мере расширения Вселенной оно постепенно остывало. И к настоящему времени превратилось в так называемое фоновое тепловое излучение с температурой 2,7 К, которое несет в себе значительную часть энергии Вселенной.

Завершением подготовки к данному вопросу является выяснение сущности идеи о множественности Вселенных.

Изучая третий вопрос, следует иметь в виду, что структурные уровни организации Вселенной можно рассмотреть в следующей последовательности: от элементарных частиц, атомов, молекул в малых масштабах -- до планет, звезд, галактик и их скоплений, «сверхгалактик» и, наконец, дисперсное вещество (газы, пыль) и физические поля (гравитационное, электромагнитное и др.).

Современная астрономия располагает методами определения основных звездных характеристик: светимости, поверхностной температуры (цвета), радиуса, химического состава и массы. Возникает важный вопрос: являются ли эти характеристики независимыми? Оказывается, нет. Прежде всего, имеется функциональная зависимость, связывающая радиус звезды, ее светимость и поверхностную температуру. Наряду с этим, однако, давно уже была обнаружена зависимость между светимостью звезд и их спектральным классом (или, что фактически одно и то же, -- цветом).

При рассмотрении вопроса о конденсации в протозвезды плотных холодных молекулярных облаков, на которые из-за гравитационной неустойчивости распадается газово-пылевой комплекс межзвездной среды, важно подчеркнуть, что этот процесс является закономерным, то есть неизбежным. В самом деле, тепловая неустойчивость межзвездной среды неизбежно ведет к ее фрагментации, то есть к разделению на отдельные, сравнительно плотные облака и межоблачную среду. Однако собственная сила тяжести не может сжать облака -- для этого они недостаточно плотны и велики. Но тут "вступает в игру" межзвездное магнитное поле. В системе силовых линий этого поля неизбежно образуются довольно глубокие "ямы", куда "стекаются" облака межзвездной среды. Это приводит к образованию огромных газово-пылевых комплексов. В таких комплексах образуется слой холодного газа, так как ионизирующее межзвездный углерод ультрафиолетовое излучение звезд сильно поглощается находящейся в плотном комплексе космической пылью, а нейтральные атомы углерода сильно охлаждают межзвездный газ. Так как в холодном слое давление газа равно внешнему давлению окружающего более нагретого газа, то плотность в этом слое значительно выше и достигает нескольких тысяч атомов на кубический сантиметр. Под влиянием собственной гравитации холодный слой, после того как он достигнет толщины около одного парсека, начнет "фрагментировать" на отдельные, еще более плотные сгустки, которые под воздействием собственной гравитации будут продолжать сжиматься. Таким вполне естественным образом в межзвездной среде возникают ассоциации протозвезд. Каждая такая протозвезда эволюционирует со скоростью, зависящей от ее массы.

Когда существенная часть массы газа превратиться в звезды, межзвездное магнитное поле, которое своим давлением поддерживало газово-пылевой комплекс, естественно, не будет оказывать воздействия на звезды и молодые протозвезды. Под влиянием гравитационного притяжения Галактики они начнут падать к галактической плоскости. Таким образом, молодые звездные ассоциации всегда должны приближаться к галактической плоскости.

Изучая четвёртый вопрос, следует иметь в виду, что Б. Картер выдвинул так называемый антропный принцип (АП), декларирующий наличие взаимосвязи между параметрами Вселенной и существованием в ней разума.

Формальный толчок началу дискуссии о месте человека во Вселенной дало обсуждение проблемы совпадения больших чисел -- странной численной взаимосвязи параметров микромира (постоянной Планка, заряда электрона, размера нуклона) и глобальных характеристик Метагалактики (ее массы, размера, времени существования). Эта проблема поставила вопрос: а насколько случайны параметры нашего мира, насколько они взаимосвязаны между собой, и что произойдет при их незначительном изменении?

Анализ возможного варьирования основных физических параметров показал, что даже незначительное их изменение приводит к невозможности существования нашей Метагалактики в наблюдаемой форме и не совместимо с появлением в ней жизни и, соответственно разума.

Взаимосвязь между параметрами Вселенной и появлением в ней разума была выражена Картером в двух формулировках -- сильной и слабой.

Слабый АП лишь констатирует, что имеющееся во Вселенной условия не противоречат существованию человека: «Наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием как наблюдателей»

Сильный АП выдвигает более жесткую взаимосвязь параметров Вселенной с возможностью и необходимостью появления в ней разума: «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит), должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей»

Можно сформулировать два крайних предположения обосновывающих АП:

1) разум в нашей Метагалактике явление абсолютно случайное, которое стало возможным лишь благодаря маловероятному, но реализованному совпадению многих независимых физических параметров;

2) наличие биологической и социальной форм движения --закономерное следствие развития Вселенной, а все ее физические характеристики взаимосвязаны и взаимообусловлены таким образом, что с необходимостью вызывают появление разума.

В общих чертах эволюционный подход к проблеме АП можно сформулировать так: Вселенная находится в непрерывном процессе эволюции, и появление жизни и разума закономерный результат этого процесса. При достаточно убедительном построении теории глобального эволюционизма АП должен свестись к ее частному моменту -- констатации факта, что разум есть необходимый этап эволюции Вселенной.

Основная литература:

Концепции современного естествознания. /Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова: Учебник. - ЮНИТИ-ДАНА, 2009.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник.- М.: ООО «Издательство ЮКЭА», 2005. С. 50-72, 480-510.

Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – Ростов н/Д: Феникс, 2008. С. 67-75, 156-173.

Дополнительная литература:

Аредаков А.А. Сознание в онтологиях антропного принципа // Вопросы философии. 2008. № 1.

Волков А. Мир наших законов // Знание – сила. 2008. № 1.

Волков А. Космос как неизбежность // Знание – сила. 2007. №10.

Волков А. Её величество случайность //Знание – сила. 2007. № 1.

Гивишвили Г.В. Темная энергия и «сверхсильный» антропный принцип // Вопросы философии. 2008. № 5.

Грудинкин А. Мир наших констант // Знание – сила. 2008. № 1.

Григорьев Р. Загадки темной энергии // Знание – сила. 2007. № 12.

Лебедев В. Миссия человека в космосе. В чем она? // Наука и жизнь. 2008. № 10.

Левин А. Темный космос. Тяжесть невидимого // Популярная механика. 2007. № 5.

Левин А. Почему Вселенная такова, какова она есть? // Популярная механика. 2007. № 1.

Левитан Е.П. Эволюционирующая Вселенная. – М.: Планета, 2006.

Спенс П. Вселенная. – М.: АСТ, 2008.

Турсунов А.В. Философия и современная космология. – М.: Альфа, 2006.

Шварц Дж. Струнный концерт для Вселенной // Популярная механика. 2006. № 3.

Шильник Л. Космос и хаос: Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной. – М.: НЦ ЭНАС, Издательство ЗАО, 2008.

План семинара № 4

по теме: Физическая и астрономическая картины мира:

Происхождение Солнечной системы и строение Земли

(4 часа)

1. Галактика Млечный путь и место Солнца в ней. Происхождение Солнечной системы и её структура

2. Строение и эволюция Земли

3. Современные концепции развития геосферных оболочек. Влияние

атмосферы, гидросферы и литосферы на формирование биосферы Земли

4. Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций

Цель занятия: слушатели должны: знать структуру Вселенной, материю во Вселенной: звёзды, звёздная среда, газовые туманности, строение и эволюцию звёзд. Взаимосвязь Солнца и биосферы Земли. Ориентироваться в научных и псевдонаучных гипотезах о происхождении Солнечной системы. Разбираться в основных методах естествознания в изучении галактики Млечный путь и Солнечной системы. Иметь представление об основных проблемах, стоящих перед космологией и космогонией в настоящее время.