- •В.М.Найдыш Концепции современного естествознания
- •Предисловие
- •Введение Естествознание как отрасль научного познания
- •B.I. Понятие культуры
- •В.2. Материальная и духовная культура
- •В.З. Наука как компонент духовной культуры
- •В.4. Проблема культур в науке: от конфронтации к сотрудничеству
- •В.5. Структура естественнонаучного познания
- •Часть первая Основные исторические периоды развития естествознания
- •1. Накопление рациональных знаний в системе первобытного сознания
- •1.1. Повседневное, стихийно-эмпирическое знание
- •1.2. Зарождение счета
- •1.3. Мифология
- •2. Наука в цивилизациях древности
- •2.1. Становление цивилизации
- •2.1.1. Неолитическая революция
- •2.1.2. Рационализация форм деятельности и общения
- •2.1.3. Разделение труда и развитие духовной культуры
- •2.1.4. Возникновение письменности
- •2.1.5. «Культурное пространство» древневосточных цивилизаций
- •2.2. Развитие рациональных знаний в эпоху классообразования цивилизаций Древнего Востока
- •2.2.1. От Мифа к Логосу (Науке)
- •2.2.2. Географические знания.
- •2.2.3. Биологические, медицинские и химические знания
- •2.2.4. Астрономические знания
- •2.2.5. Математические знания
- •3. Создание первой естественнонаучной картины мира в древнегреческой культуре
- •3.1. Культурно-исторические особенности древнегреческой цивилизации
- •3.2. От Хаоса к Космосу
- •3.3. Категория субстанции
- •3.4. Мир как число
- •3.4.1. Пифагорейский союз
- •3.4.2. Математические и естественно-научные достижения пифагореизма
- •3.5. Формирование первых естественнонаучных программ
- •3.5.1. Великое открытие элеатов
- •3.5.2. Атомистическая программа
- •3.5.3. Математическая программа
- •3.6. Физика и космология Аристотеля
- •3.6.1. Учение Аристотеля о материи и форме
- •3.6.2. Космология Аристотеля
- •3.6.3. Основные представления аристотелевской механики
- •3.7. Естествознание эллинистически-римского периода
- •3.7.1. Культура эллинизма
- •3.7.2. Александрийская математическая школа
- •3.7.3. Развитие теоретической и прикладной механики
- •3.8. Развитие древнегреческой астрономии
- •3. 8.1. Становление математической астрономии
- •3.8.2. Геоцентрическая система Птолемея
- •3.9. Античные воззрения на органический мир
- •3. 9.1. Античные толкования проблемы происхождения и развития живого
- •3.9. 2. Биологические воззрения Аристотеля
- •3. 9.3. Накопление рациональных биологических знаний в античности
- •3.9.4. Античные представления о происхождении человека
- •3.10. Упадок античной науки
- •4. Естествознание в эпоху средневековья
- •4.1. Особенности средневековой духовной культуры
- •4.1.1. Доминирование ценностного над познавательным
- •4. 1.2. Отношение к познанию природы
- •4.1.3. Особенности познавательной деятельности
- •4.2. Естественно-научные достижения средневековой арабской культуры
- •4.2.1. Математические достижения
- •4.2.2. Физика и астрономия
- •4.3. Становление науки в средневековой Европе
- •4.4. Физические идеи средневековья
- •4.5. Алхимия как феномен средневековой культуры
- •4.6. Религиозная трактовка происхождения человека
- •4.7. Историческое значение средневекового познания
- •5. Познание природы в эпоху возрождения
- •5.1. Ренессанская мировоззренческая революция
- •5.2. Зарождение научной биологии
- •5.3. Коперниканская революция
- •5.3.1. Гелиоцентрическая система мира
- •5.3.2. Дж. Бруно: мировоззренческие выводы из коперниканизма
- •6. Научная революция XVII в.: возникновение классической механики
- •6.1. И. Кеплер: от поисков гармонии мира к открытию тайны планетных орбит
- •6.2. Формирование непосредственных предпосылок классической механики как первой фундаментальной естественно-научной теории
- •6.2.1. Г. Галилей: разработка понятий и принципов «земной динамики»
- •6.2.2. Картезианская физика
- •6.2.3. Новые идеи в динамике Солнечной системы
- •6.3. Ньютонианская революция
- •6.3.1. Создание теории тяготения
- •6.3.2. Корпускулярная теория света
- •6.3.3. Космология Ньютона
- •6.4. Изучение магнитных и электрических явлений в XVII в.
- •7. Естествознание XVIII -первой половины XIX в.
- •7.1. Общая характеристика развития физики
- •7.1.1. Становление основных отраслей классической физики
- •7.1.2. Принцип дальнодействия
- •7.1.3. Теория теплорода
- •7.1.4. Развитие учения об электричестве и магнетизме в XVIII в.
- •7.1.5. Физика первой половины XIX в.: общая характеристика
- •7.1.6. Волновая теория света
- •7.1.7. Проблема эфира
- •7.1.8. Возникновение полевой концепции
- •7.1.9. Закон сохранения и превращения энергии
- •7.1.10. Концепции пространства и времени
- •7.1.11. Методологические установки классической физики (конец XVII - начало XX вв.)
- •7.2. Развитие астрономической картины мира
- •7.2.1. Создание внегалактической астрономии
- •7.2.2. Формирование идеи развития природы
- •7.2.3. Идея развития в астрономии
- •7.2.4. Космогония и. Канта
- •7.2.5. Методологические установки классической астрономии
- •7.3. Возникновение и развитие научной химии
- •7.3.1. От алхимии к научной химии
- •7. 3.2. Лавуазье: революция в химии
- •7.3.3. Победа атомно-молекулярного учения
- •7.4. Биология
- •7.4.1. Образы, идеи, принципы и понятия биологии XVIII в.
- •7.4.2. От концепций трансформации видов к идее эволюции
- •7.4.3. Ламаркизм
- •7.4.4. Катастрофизм
- •7.4.5. Униформизм. Актуалистический метод
- •7.4.6. Дарвиновская революция
- •7.4.7. Методологические установки классической биологии
- •8. Естествознание второй половины XIX в.: на пути к новой научной революции
- •8.1. Физика
- •8.1.1. Основные черты
- •8.1.2. От возникновения термодинамики к статистической физике: изучение необратимых систем
- •8.1.3. Развитие представлений о пространстве и времени
- •8.1.4. Теория электромагнитного поля
- •8.1.5. Великие открытия
- •8.1.6. Кризис в физике на рубеже веков
- •8.2. Астрономия
- •8.2.1. Триумф ньютоновской астрономии и... Первая брешь в ней
- •8.2.2. Формирование астрофизики: проблема внутреннего строения звезд
- •8.3. Биология
- •8. 3.1. Утверждение теории эволюции ч. Дарвина
- •8.3.2. Становление учения о наследственности (генетики)
- •9.1.2. Создание а. Эйнштейном специальной теории относительности
- •9.2. Создание и развитие общей теории относительности
- •9.2.1. Принципы и понятия эйнштейновской теории гравитации
- •9.2.2. Экспериментальная проверка общей теории относительности
- •9.2 3. Современное состояние теории гравитациии ее роль в физике
- •9.3. Возникновение и развитие квантовой физики
- •9.3.1. Гипотеза квантов
- •9.3.2. Теория атома и. Бора. Принцип соответствия
- •9.3.3. Создание нерелятивистской квантовой механики
- •9.3.4. Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности
- •9.4. Методологические установки неклассической физики
- •10. Мир элементарных частиц
- •10.1. Фундаментальные физические взаимодействия
- •10.1.1. Гравитация
- •10.1.2. Электромагнетизм
- •10.1.3. Слабое взаимодействие
- •10.1.4. Сильное взаимодействие
- •10.1.5. Проблема единства физики
- •10.2. Классификация элементарных частиц
- •10.2.1. Характеристики субатомных частиц
- •10.2.2. Лептоны
- •L0.2.3. Адроны
- •10.2.4. Частицы - переносчики взаимодействий
- •10.3. Теории элементарных частиц
- •10.3.1. Квантовая электродинамика
- •10.3.2. Теория кварков
- •10.3.3. Теория электрослабого взаимодействия
- •10.3.4. Квантовая хромодинамика
- •10.3.5. На пути к Великому объединению
- •Современная астрономическая картина мира
- •11. Особенности астрономии XX в.
- •11.1. Изменения способа познания в астрономии хх в.
- •11.2. Новая астрономическая революция
- •11.3. Солнечная система
- •11.3.1. Планеты и их спутники
- •11.3.2. Строение планет
- •11.3.3. Происхождение планет
- •11.3.4. Химический состав вещества во Вселенной
- •11.4. Звезды
- •11.4.1. Звезда - газовый шар
- •11.4.2. Эволюция звезд: звезды от их «рождения» до «смерти»
- •11.5. Острова Вселенной: галактики
- •11.5.1. Общее представление о галактиках и их изучении
- •11.5.2. Наша Галактика - звездный дом человечества
- •11.5.3. Межзвездная среда
- •11.5.4. Понятие Метагалактики
- •11.6. Вселенная в целом
- •11.6.1. Особенности современной космологии
- •11.7. Эволюция Вселенной
- •11.7.1. Модель горячей Вселенной
- •11.7.2. Большой Взрыв: инфляционная модель
- •11.7.3. Первые секунды Вселенной
- •11.7.4. От первых минут Вселенной до образования звезд и галактик
- •11.7.5. Образование тяжелых химических элементов
- •11.7.6. Сценарии будущего Вселенной
- •11.8. Жизнь и разум во Вселенной: проблема внеземных цивилизаций
- •11.8.1. Понятие внеземных цивилизаций. Вопрос об их возможной распространенности
- •11.8.2. Типы контактов с внеземными цивилизациями
- •11.8.3. Поиски внеземных цивилизаций
- •11.9. Методологические остановки «неклассической» астрономии XX в.
- •Современная биологическая картина мира
- •12. Особенности биологии XX в.
- •12.1. Век генетики
- •12.1.1. Хромосомная теория наследственности
- •12.1.2. Создание синтетической теории эволюции
- •12.1.3. Революция в молекулярной, биологии
- •12.1.4. Методологические установки современной биологии
- •13. Мир живого
- •13.1. Особенности живых систем
- •13.1.1. Существенные черты живых систем
- •13.1.2. Основные уровни организации живого
- •13.2. Возникновение жизни на Земле
- •13.2.1. Развитие представлений о происхождении жизни
- •13.2.2. Возникновение жизни
- •13.3. Развитие органического мира
- •13.3.1. Основные этапы геологической истории Земли
- •Геологические эры Земли:
- •13.3.2. Начальные этапы эволюции жизни
- •13.3.3. Образование царства растений и царства животных
- •13.3.4. Завоевание суши
- •13.3.5. Основные пути эволюции наземных растений
- •13.3.6. Пути эволюции животных
- •14. Возникновение человека и общества (антропосоциогенез)
- •14.1. Естествознание XVII— первой половины xiXв. О происхождении человека
- •14.2. Предпосылки антропосоциогенеза
- •14.2.1. Абиотические предпосылки
- •14.2.2. Биологические предпосылки
- •14.3. Возникновение труда
- •14.3.1. «Человек умелый»
- •14.3.2. Развитие древнейшей техники человека
- •14.4. Становление социальных отношений
- •14.4.1. Биологические предпосылки социальных отношений
- •14.4.2. Возникновение разделения труда
- •14.5. Генезис сознания и языка.
- •14.5.1. Раскрытие тайны происхождения сознания
- •14.5.2. Генезис языка
- •Часть третья естествознание на пороге XXI в.
- •15. Теория самоорганизации (синергетика)
- •15.1. От моделирования простых систем к моделированию сложных
- •15.2. Характеристики самоорганизующихся систем
- •15.2.1. Открытость
- •15.2.2. Нелинейность
- •15.2.3. Диссипативность
- •15.3. Закономерности самоорганизации
- •16. Глобальный эволюционизм
- •17. На пути к постнеклассической науке XXI в.
- •Заключение Наука и будущее человечества Естествознание как революционизирующая сила цивилизации
- •Наука и квазинаучные формы духовной культуры
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Терминологический словарь
- •Именной указатель
- •Основные сокращения и обозначения
- •Соотношения между некоторыми физическими величинами
- •Содержание
- •1. Накопление рациональных знаний в системе первобытного сознания 12
- •2. Наука в цивилизациях древности 20
- •3. Создание первой естественнонаучной картины мира в древнегреческой культуре 39
- •4. Естествознание в эпоху средневековья 64
- •5. Познание природы в эпоху возрождения 75
- •6. Научная революция XVII в.: возникновение классической механики 84
- •7. Естествознание XVIII -первой половины XIX в. 93
- •8. Естествознание второй половины XIX в.: на пути к новой научной революции 123
- •9. Научная революция в физике начала XX в.: возникновение релятивистской и квантовой физики 135
- •10. Мир элементарных частиц 150
- •11. Особенности астрономии XX в. 164
- •12. Особенности биологии XX в. 191
- •13. Мир живого 195
- •14. Возникновение человека и общества (антропосоциогенез) 210
- •15. Теория самоорганизации (синергетика) 225
- •16. Глобальный эволюционизм 229
- •17. На пути к постнеклассической науке XXI в. 230
9.2. Создание и развитие общей теории относительности
9.2.1. Принципы и понятия эйнштейновской теории гравитации
Классическая механика и СТО формулируют закономерности физических явлений только для некоторого достаточно узкого класса инерциальных систем отсчета, не предлагая средств для реального выделения таких систем. Вполне закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы. После создания СТО Эйнштейн стал задумываться над этой проблемой применительно к принципу относительности: «Можем ли мы сформулировать физические законы таким образом, чтобы они были справедливыми для всех систем координат, не только для систем, движущихся совершенно произвольно по отношению друг к другу? Если это можно сделать, то... тогда мы будем в состоянии применять законы природы в любой системе координат» *.
* Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М.,1965. С. 176.
Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения — распространение принципа относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, то в таком случае выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно так формулировать физические законы, чтобы их формулировка имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание общего принципа относительности.
Это означает, что точно так же, как нельзя говорить о скорости тела вообще безотносительно к какому-нибудь телу, так, очевидно, и ускорение имеет конкретный смысл по отношению к некоторому фактору, вызывающему и определяющему его.
До Эйнштейна существовали две точки зрения на причины, порождающие инерциальные силы в ускоренных системах. Ньютон считал, что таким фактором является абсолютное пространство, а Э. Мах — действие общей массы Вселенной (см. 8.1.3). Эйнштейн пошел по иному пути — распространил принцип эквивалентности сил инерции и сил тяготения (инертной и гравитационной масс) на оптические явления.
Существует два различных и независимых способа определения массы тела: 1) через ускорение, которое вызывает любая действующая на тело сила (инертная масса); 2) через притяжение в поле тяготения (гравитационная масса — вес тела). Независимость инертной и гравитационной масс и их эквивалентность была известна в классической механике и выражалась через закон пропорциональности веса и массы Р/т = g. Еще Галилей в своих опытах на «падающей башне» в Пизе установил, что все тела на Земле, если не учитывать сопротивления воздуха, падают с одним и тем же ускорением. А Ньютон обратил внимание на то, что периоды колебаний маятника зависят не от массы шара, а от длины нити, на которой он подвешен. В 1890 г. венгерский физик Л. Этвеш подтвердил факт эквивалентности инертной и гравитационной масс с высокой точностью (до 10-9, сейчас эта точность повышена до 10-12). После открытия зависимости инертной массы от скорости (релятивистские эффекты) вопрос о независимости гравитационной массы от любых свойств тел и состояний, в которых они находятся, предстал в новом свете. Нужно было разобраться в вопросе, изменяются ли гравитационные свойства тел, если их инерционные свойства зависят от состояния движения.
В этих условиях одни физики высказывали мнение, что отношение массы тела к его весу нельзя считать постоянным, а другие считали, что гравитационная и инертная массы всегда равны и имеют одну и ту же природу. Но так как согласно теории относительности энергия обладает инерцией, то она должна обладать и тяжестью. Эйнштейн также обращается к этой проблематике и задумывается над тем, не обладает ли энергия также тяжелой (гравитирующей) массой, и уже в 1911 г. приходит к новым идеям, которые затем легли в основу общей теории относительности (ОТО).
В центре его размышлений оказался вопрос: можно ли оценивать движение равноускоренной системы S по отношению к инерциальной системе S как пребывание в относительном покое? Теоретический анализ подводит его к выводу, что две системы отсчета, одна из которой движется ускоренно, а другая хотя и покоится, но в ней действует однородное поле тяготения, в отношении механических явлений эквивалентны и неразличимы. Иначе говоря, физика не знает средств, которые могли бы отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Это утверждение Эйнштейн иллюстрирует примером: наблюдатель, находящийся в закрытом лифте, не может определить, движется ли лифт ускоренно или внутри лифта действуют силы тяготения.
Эквивалентность, существующую между ускорением и однородным полем тяготения, которая справедлива для механики, Эйнштейн считает возможным распространить на оптические и вообще любые физические явления. Этот расширенный принцип эквивалентности и был положен им в основу общей теории относительности. Построение ОТО он завершил в 1916 г. При этом он использовал понятия и математический аппарат неевклидовых геометрий.
Мысленные эксперименты убедительно показывали, что релятивистская физика не может основываться на евклидовой геометрии и А. Эйнштейн вводит представление о том, что метрика пространства-времени обусловлена гравитационным полем, которое в свою очередь создано вещественными образованиями: «Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их скоростями. Гравитационные уравнения ОТО стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира» *. Эйнштейн исходил из того, что пространственно-временной континуум носит риманов характер. А римановым (в узком смысле) называется пространство постоянной положительной кривизны. Его наглядный образ — поверхность обычной сферы. Это значит, что движение частицы в гравитационном поле определяется кратчайшей мировой линией, которая не является прямой, но тем не менее является кратчайшей.
* Эйнштейн Л., Инфельд Л. Указ. соч. С. 196.
Итак, с точки зрения ОТО пространство не обладает постоянной (нулевой) кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения. Можно сказать больше: поле тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального пространства от свойств идеального евклидова пространства. Величина поля тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. Таким образом, движение материальной точки в поле тяготения можно рассматривать как свободное «инерциальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в пространстве с изменяющейся кривизной. В результате движение точки уже не является прямолинейным и равномерным, а происходит по геодезической линии искривленного пространства. Отсюда следует, что уравнение движения материальной точки, а также и луча света должно быть записано в виде уравнения геодезической линии искривленного пространства.
Для определения кривизны пространства необходимо знать выражение для компонент фундаментального тензора (аналога потенциала в ньютоновской теории тяготения). Задача заключается в том, чтобы, зная распределение тяготеющих масс в пространстве, определить функции координат и времени (компонент фундаментального тензора); тогда можно записать уравнение геодезической линии и решить проблему движения материальной точки, проблему распространения светого луча и т.д. Эйнштейн нашел общее уравнение гравитационного поля (которое в классическом приближении переходило в закон тяготения Ньютона) и таким образом решил проблему тяготения в общем виде. Уравнения гравитационного поля в общей теории относительности представляют собой систему 10 уравнений. В отличие от теории тяготения Ньютона, где есть один потенциал гравитационного поля, который зависит от единственной величины – плотности массы, в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса.
Кардинальное отличие ОТО от предшествующих ей фундаментальных физических теорий в отказе от ряда старых понятий и формулировке новых. Так, ОТО отказывается от понятий «сила», «потенциальная энергия», «инерциальная система», «евклидов характер пространства-времени» и др. В ОТО используют нежесткие (деформирующиеся) тела отсчета, поскольку в гравитационных полях не существует твердых тел и ход часов зависит от состояния этих полей.
Такая система отсчета (ее называют «моллюском отсчета») может двигаться произвольным образом, и ее форма может изменяться, у используемых часов может быть сколь угодно нерегулярный ход. ОТО углубляет понятие поля, связывая воедино понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени, допускает возможность гравитационных волн (хотя до сих пор их экспериментально обнаружить не удалось).
В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн усиленно занимался поисками «единой теории поля», которая бы объединила теорию тяготения и теорию электромагнитного поля. С точки зрения Эйнштейна, реализация этой задачи позволила бы свойства вещества вывести из представлений о свойствах поля, «рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно» *, и объяснить существование элементарных частиц. Однако несмотря на все остроумие его методов и колоссальное упорство, ему не удалось этого достигнуть. К середине XX в. стало ясно, что работа в этом направлении должна осуществляться с учетом существования не двух (гравитационное и электромагнитное), а четырех типов фундаментальных взаимодействий.
* Эйнштейн А., Инфельд Л. Указ. соч. С. 201.