Вопросы для самоконтроля

1. Определите основные структурные уровни организации материи в мегамире и дайте им характеристику.

2. На какую физическую теорию опирается современная космология?

3. Какие этапы в своем развитии прошла эта космология?

4. На каких данных основывается современная космология?

5. Что собой представляет стандартная модель Вселенной?

6. Когда по стандартной модели произошел «большой взрыв»?

7. Расскажите об эволюции Вселенной до возникновения макротел.

8. Как реликтовое излучение подтверждает стандартную модель?

9. Как связана эволюция Вселенной с разрушением прежних симметрий между физическими взаимодействиями?

10. Какое значение имеет парадигма самоорганизации материи в космологии?

11. В чем заключается сущность антропного принципа?

12. Расскажите о значении открытий в космологии для формирования научного мировоззрения?

13. Покажите структурные элементы вселенной как системы.

14. Какова классификация галактик?

15. По каким основаниям осуществляется классификация звезд?

16. Покажите основные этапы эволюции звезд.

17. Расскажите об основных концепциях происхождения планет.

18. Как вы понимаете название «черная дыра»? Почему ее можно назвать «гравитационной могилой»?

Литература

Основная

1. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Курс лекций. – М.: Гардарики, 2006. Гл. X.

2. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. 2-е изд., доп. и перераб. / Под ред. В.Н. Лавриненко и В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. С. 117 – 133.

Дополнительная

1. Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания. – СПб.: Лань, 2002. Лекции 10 – 14.

2. Вайнберг С. Первые три минуты: Современный взгляд на происхождение Вселенной. — М.: Наука, 1981.

3. Ефремов Ю.Н. Вселенная: звезды, галактики им мироздание. – М.: Едиториал УРСС, 2003.

4. Идлис Г. М. Революция в астрономии, физике и космологии. — М.: Наука, 1985.

5. Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. М.,1990.

6. Рис М. Наша космическая обитель. – М.: ИКИ, 2002.

7. Тринх Ксуан Тхуан. Вселенная: Большой взрыв и все, что за ним последовало. – М.: Изд-во Астрель, изд-во АСТ, 2002.

8. Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. - М: Наука, 1988.

Тема 8. Пространство, время, энергия в неклассической научной картине мира

1. Становление субстанциональной концепции пространства и времени

Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в естественнонаучной картине мира. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

Уже в античном мире мыслители задумывались над сущностью пространства и времени. Так, представители элейской школы отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Демокрит утверждал, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и соединений.

В «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве.

Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест», представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным.

В гелиоцентрической системе мира Н. Коперник (1473-1543) отверг все ранее существовавшие представления о Земле как «единственном» центре вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила естествоиспытателей к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. Представляя Вселенную как «целое бесконечное», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».

Практическое обоснование выводы Бруно получили в «физике неба» И. Кеплера (1571-1630) и в небесной механике Г. Галилея. Кеплер установил универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических орбитах.

Принцип относительности Галилея утверждал: все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной скоростью. Такие системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

Р. Декарт (1596-1650) обосновал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Исходя из тезиса о единстве физики и геометрии, он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с протяженностью.

Последовательное математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени было получено в рамках классической механики.

Вершиной классической механики И. Ньютона стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы — закон всемирного тяготения. Сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.

Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения»⁸.

Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

С критикой ньютоновских представлений выступил немецкий ученый Г.В.Лейбниц (1646-1716). Он развивал реляционную концепцию пространства и времени и указывал на относительный (реляционный) характер пространства и времени: «Считаю пространство так же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство — порядком сосуществований, а время — порядком последовательностей»⁹. Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться в «отвлечении» от самих вещей. Однако успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием.

Основные положения ньютоновской субстанциональной концепции пространства и времени (поскольку они выступали в качестве самостоятельных, независимых от материи субстанций) заключаются в следующем.

Пространство считалось бесконечным, плоским, «прямолинейным», евклидовым. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел, как независимая от них инерциальная система.

Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности.

Абсолютное время и пространство служили основой для преобразований Галилея — Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным системам. Это системы выступали в качестве избранной системы координат в классической механике.

Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механическими свойствами тел. Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний между телами и направлены по прямым, то в теории электромагнитных процессов, созданной в XIX в. М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела.

Из теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Как заметил Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

Специального объяснения требовал и отрицательный результат по обнаружению мирового эфира, полученный американским физиком А. Майкельсоном. Его опыт доказал независимость скорости света от движения Земли. С точки зрения классической механики, эти результаты не поддавались объяснению. Нидерландский физик X. Лоренц (1853-1928) вывел математические уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на них, в зависимости от скорости движения.

Таким образом, относительными оказывались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновременность» событий.