МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ
(образован в 1953 году)


Кафедра физики и высшей математики



Дистанционное
обучение
Физ.мат.-3.22.0604 зчн.плн. Физ.мат.-3.22.3513 зчн.плн.
Физ.мат.-3.22.0604 зчн.скр. Физ.мат.-3.22.3513 зчн.скр.
Физ.мат.-3.22.0605 очн.плн. Физ.мат.-3.22.0204 зчн.плн.
Физ.мат.-3.22.0605 очн.скр. Физ.мат.-3.22.0204 зчн.скр.
Физ.мат.-3.22.0606 очн.плн. Физ.мат.-3.22.0211 зчн.плн.
Физ.мат.-3.22.0606 очн.скр. Физ.мат.-3.22.0211 зчн.скр.
Физ.мат.-3.22.0611 очн.плн. Физ.мат.-3.22.0524 зчн.плн.
Физ.мат.-3.22.0611 очн.скр. Физ.мат.-3.22.0524 зчн.скр.

В.Ф. Дмитриева,
М.А. Михайлов, Ю.Б. Икренникова

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ


Учебно-практическое пособие
для студентов специальностей:
0604, 0605, 0606, 0611, 3513, 0204, 0211, 0524

Часть 1





www.msta.ru

Москва – 2004 4090



УДК - 5
ББК 20
Д 53

© Дмитриева В.Ф., Михайлов М.А., Икренникова Ю.Б. Учебное пособие по дисциплине «Концепции современного естествознания». – М., МГУТУ, 2004 г.

Рекомендовано Институтом информатизации образования РАО


В работе изложены основные вопросы курса «Концепции современного естествознания». В пособии даны общие методические указания по работе над курсом КСЕ, список литературы, рекомендуемой для изучения курса, рабочая программа дисциплины, учебные материалы по разделам курса, вопросы для самоконтроля, тесты к каждому разделу, итоговый тест ко всему курсу КСЕ, основные термины, встречающиеся при изучении дисциплины.


Предназначено для студентов I курса заочной (полной и сокращенной) формы обучения, специальностей: 0604, 0605, 0606, 0611, 3513, 0204, 0211, 0524.





Авторы: Дмитриева Валентина Феофановна, Михайлов Михаил Анатольевич,
Икренникова Юлия Борисовна


Рецензенты: д. ф.-м. н., проф. Троян В.И.
к. ф.-м. н., доц. Рябов В.А.




Редактор: Свешникова Н.И.




© Московский государственный университет технологий и управления, 2004
109004, Москва, Земляной вал, 73



СОДЕРЖАНИЕ

ЧАСТЬ 1

1. Цели и задачи дисциплины ……………………………………………… 4
2. Общие методические указания …………………………………………. 5
3. Литература ……………………………………………………………….. 6
4. Рабочая программа ………………………………………………………. 6
5. Развитие естественнонаучного мышления до начала 20 века ………... 9
Контрольные вопросы …………………………………………………... 21
Тест ……………………………………………………………………….. 22
6. Основные физические концепции современного естествознания …… 22
Контрольные вопросы ………………………………………………….. 32
Тест ………………………………………………………………………. 32
7. Основные концепции современной космологии ……………………… 33
Контрольные вопросы ………………………………………………….. 46
Тест ………………………………………………………………………. 47


ЧАСТЬ 2

8. Симметрия в природе …………………………………………………... . 4
Контрольные вопросы ………………………………………………….. . 7
Тест ……………………………………………………………………….. 7
9. Концепция эволюции органического мира ……………………………. 8
Контрольные вопросы ………………………………………………….. 11
Тест ……………………………………………………………………….. 11
10. Возникновение и развитие жизни …………………………………….. 12
Контрольные вопросы ………………………………………………….. 17
Тест ………………………………………………………………………. 17
11. Концепция биосферы и ноосферы …………………………………….. 18
Контрольные вопросы ………………………………………………….. 21
Тест ……………………………………………………………………… 21
12. Понятие о картине мира ………………………………………………. 22
Контрольные вопросы …………………………………………………. 24
13. Итоговый тест …………………………………………………………… 24
14. Вопросы для самопроверки …………………………………………… 27
15. Основные термины ……………………………………………………. 29
16. Ответы к тестам ……………………………………………………….. 39




1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Изучение дисциплины “Концепции современного естествознания” преследует цель ознакомления студентов, обучающихся по гуманитарным направлениям, с дополнительным для них неотъемлемым компонентом культуры - естествознанием, и формирование целостного взгляда на окружающий мир. Необходимость изучения этой дисциплины вызвана тем, что сейчас рациональный естественнонаучный метод проникает и в гуманитарную сферу, участвуя в формировании сознания общества, и вместе с тем приобретает все более универсальный язык, адекватный философии, психологии, социальным наукам и даже искусству. Возникающая сегодня тенденция к гармоничному синтезу двух традиционно противостоящих компонентов культуры созвучна потребности общества в целостном мировидении и подчеркивает актуальность дисциплины.
Данная дисциплина представляет собой не просто совокупность избранных глав традиционных курсов астрономии, физики, химии, биологии, психологии, экологии и других естественных дисциплин, а является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексного историко-философского и эволюционно-синергетического подхода к современному естествознанию.
Основными задачами курса в ВУЗах являются:
1. Понимание специфики гуманитарного и естественнонаучного компонентов культуры.
2. Понимание задач и возможностей рационального естественнонаучного метода.
3. Изучение и понимание сущности фундаментальных законов природы, к которым сводится множество частных закономерностей физики, химии, биологии и других естественных наук.
4. Формирование ясного представления о физической картине мира как основе целостности и многообразия природы.
5. Понимание принципов преемственности и непрерывности в изучении природы.
6. Осознание проблемы экологии и общества.
7. Формирование представлений о революциях в естествознании и смене научных парадигм.
8. Формирование представлений о принципах универсального эволюционизма и синергетике.
9. Понимание роли законов самоорганизации в процессе развития естествознания и техники.
В области концепции современного естествознания студент должен иметь представление:
- об основных этапах развития естествознания, особенностях современного естествознания, ньютоновской и эволюционной парадигмах;
- о концепциях пространства и времени;
- о принципах симметрии и законах сохранения;
- о корпускулярной и континуальной теориях;
- о динамических и статистических закономерностях в естествознании;
- о соотношении порядка и беспорядка в природе;
- упорядоченности строения физических объектов, перехода их упорядоченного в неупорядоченные состояниях и наоборот;
- о самоорганизации живой и неживой природы;
- об иерархии структурных элементов материи от микро- до макро- и
мегамира;
- о взаимодействии химических, физических и биологических процессов;
- о специфике живого, принципах эволюции, воспроизводства и развития живых систем, их целостности и гомеостазе;
- об иерархичности, уровнях организации и функциональной асимметрии живых систем;
- об биологическом многообразии, его роли в сохранении устойчивости биосферы;
- о физических основах психики, социального поведения, экологии и здоровье человека;
- о взаимодействии организма и среды, сообществах организмов, экосистемах, принципах охраны природы и рационального природопользования;
- о месте человека в эволюции Земли, о ноосфере и парадигме единой культуры.

2. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Основной формой обучения студента-заочника является самостоятельная работа над учебным материалом. Для облегчения этой работы кафедра организует чтение лекций, практические занятия и лабораторные работы. Поэтому процесс изучения состоит из следующих этапов: 1) проработка лекций; 2) самостоятельная работа с учебниками и учебными пособиями; 3) выполнение контрольной работы; 4) прохождение лабораторного практикума; 5) сдача зачетов и экзаменов.
В процессе изучения дисциплины каждый студент должен выполнить контрольную работу.
Во время экзаменационно-лабораторных сессий проводятся лабораторные работы. Цель лабораторного практикума – не только изучить те или иные явления природы, убедиться в правильности теоретических выводов, приобрести соответствующие навыки в обращении с приборами, но и более глубоко овладеть теоретическим материалом.
На экзаменах и зачетах в первую очередь выясняется усвоение основных теоретических положений программы и умение творчески применять полученные знания к решению практических задач. Сущность явлений, законов, процессов должна излагаться четко и достаточно подробно; решать задачи необходимо без ошибок и уверенно. Любая графическая работа должна быть выполнена аккуратно и четко. Только при выполнении этих условий знания по дисциплине «Концепции современного естествознания» могут быть признаны удовлетворительными.

3. ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ
1. Т.Я. Дубнищева. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, ЮКЭА, 1997.
2. Т.Я. Дубнищева, А.Ю. Пигарев. Современное естествознание. – Новосибирск, ЮКЭА, 1998.
3. С.Х. Карпенков. Концепции современного естествознания. – Москва, ЮНИТИ, 1997.
4. В.И. Курзецов, Г.М. Идлис, В.Н. Гутина. Естествознание. – Москва, АГАР, 1996.
5. В.Ф. Дмитриева, В.Л. Прокофьев. Основы физики. - М., Высшая школа, 2001.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. И. Пригожкин, И. Стангерс. Порядок из хаоса. – М., Мир, 1986.
2. Н.Н. Моисеев. Человек и ноосфера. – М.: Прогресс, 1990.
3. Г. Хакен. Синергетика. – М.: Мир, 1980.
4. В.И. Вернадский. Химическое строение биосферы Земли и ее окружение. - М.: Наука, 1965.
5. В.Г. Афанасьев. Мир живого: Системность, эволюция и управление. – М.: изд. Полит. Литература, 1986.
6. Основы общей биологии. Под общей ред., Э. Либберта. – М.: Мир, 1982.
7. И. Пригожин, И. Стенгерс. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986.
8. И.С. Шкловский. Вселенная, жизнь, разум. – М.: Наука, 1998.
9. Советский энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1989.

4. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

I. Введение
Предмет и методы естествознания. Естественные и гуманитарные науки. Две культуры как отражение двух типов мышления. Проблемы двух культур.
Этапы развития естественнонаучного мышления и смена типов научной рациональности.
Панорама современного естествознания и его незавершенность.
II. Физический взгляд на окружающий мир
Конструкция пространства и времени. Структурные уровни организации материи: микро-, макро-, мегамиры. Диапазоны масс, пространственных и временных интервалов во Вселенной. Физическое моделирование. Понятие о фундаментальных физических теориях и области их применения. Статистические и динамические закономерности в природе.
III. Движение объектов материального мира
Механическое движение как простейшая форма движения материи. Мир Ньютона - массы и силы.
Законы сохранения и принципы симметрии. Детерминизм Лапласа. Законы Всемирного тяготения. Фундаментальные силы природы.
Энергия вращательного движения. Приливные силы. Момент импульса. Движение Земли вокруг Солнца. Звездные системы. История планеты Земля.
Понятие о механической картине мира.
Механический принцип относительности. Постулаты специальной теории относительности. Основной закон релятивистской динамики. Закон взаимосвязи массы и энергии.
Тепловая форма движения материи. Теплота и температура. Шкала температур. Первое начало термодинамики. Энергетика химических реакций. Механический эквивалент теплоты. Тепловая машина Карно. Порядок и беспорядок. Энтропия. О тепловой смерти Вселенной.
Поле как форма материи. Концепция близкодействия и дальнодействия. Принцип суперпозиции. Электромагнитное поле. Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Электромагнитные волны. Многообразие диапазонов электромагнитного излучения.
Природа света. Волновые свойства света. Лазер как источник когерентного света. Голография.
Понятие об электромагнитной картине мира.
IV. Строение объектов материального мира
Развитие взглядов на строение Вселенной. Внутреннее строение Земли.
Идеи структурности материи от Демокрита до наших дней.
Кинетическая теория газов. Броуновское движение. Флуктуация. Ближний и дальний порядок в природе. Атмосфера. Жидкости, их свойства и структура. Вода на Земле и в Космосе. Связанная вода. Кристаллические твердые тела. Проводники и полупроводники. Плазма. Фазовые переходы на Земле и в Космосе. Географическая оболочка Земли.
Непрерывно-дискретный мир квантовой физики. Модели атома. Принцип дополнительности и неопределенности. Вероятность как атрибут сложных систем.
Строение вещества. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Молекулы и химические связи.
Ядерные превращения. Деление и синтез ядер. Ядерная и атомная энергетика. Источники энергии Солнца и звезд. Эволюция звезд и звездных систем. Мир элементарных частиц.
V. Единые принципы изучения неживой природы
Иерархия структур природы. Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия. Роль фундаментальных констант. Понятие о физическом вакууме.
Эволюция принципов целостности в физике: вариационные принципы, принцип дополнительности, принцип симметрии и законы сохранения, синергетические принципы.
Эволюция Вселенной. Этапы эволюции горячей Вселенной. Планеты. Звезды. Галактики.
VI. Жизнь. Живые системы
Основные признаки живого. Уровни организации живой материи. Неорганические и органические соединения. Особенности биологической формы организации материи. Белки: ферменты и живые машины.
Принципы воспроизводства и развития живых систем. Термодинамические особенности живых систем.
Клеточное строение организмов. Химический состав клетки. Процессы в клетке. Макромолекулы. ДНК и РНК. Передача наследственности. Мутации и естественный отбор.
Дифференциация и интеграция функций в организме. Целостность. Гомеостаз. Размножение и развитие организмов. Онтогенез.
Возникновение жизни на Земле. Вода в живых организмах. Происхождение человека. Роль живых организмов в эволюции Земли.
VII. Человек: организм и личность
Особенности физиологии основных систем организма. Биосоциальные основы поведения. Память, эмоции, творчество и работоспособность. Здоровье и здоровое потомство. Биологический возраст. Биологически обоснованные потребности и естественные права человека. Эмоция и здоровье.
VIII. Биосфера и цивилизация
Популяция, сообщества (биоценозы), экосистемы (биогеоценозы). Принципы их организации. Круговороты вещества и энергия. Биосфера, ее эволюция, ресурсы, пределы устойчивости. Антропогенные воздействия на биосферу.
Изменение климата и влияние на него техносферы. Солнечная энергетика. Источники вредных излучений. Биотехнологии. Борьба с болезнями.
Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле?
IX. Естествознание и перспективы развития цивилизации
Понятие о синергетике. Хаос-Теос-Космос. Принципы синергетики. Самоорганизация в живой и неживой природе.
Понятие о ноосфере. Человек как часть Вселенной. Земля как живой организм. Единство живого и неживого мира.
Роль современного естествознания в преодолении энергетического, экологического и информационного кризисов.
Наука, философия, религия - новые возможности диалога.
Роль синергетического подхода в формировании гармонически развитой здоровой личности и условий устойчивого развития природы, цивилизации, общества.
Современная естественнонаучная картина мира.




5. РАЗВИТИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОГО МЫШЛЕНИЯ
ДО НАЧАЛА 20 ВЕКА

1 Истоки науки: мифология, религия, античная натурфилософия
В период зарождения человечества восприятие им мира носило преимущественно мистическо-религиозный характер. Оно отражалось в таких формах общественного сознания как мифология и религия.
Мифология (от греч. mifos – предание, сказание и logos – слово, понятие, учение) – один из способов понимания мира, характерный для ранних стадий общественного развития. Мифология выступает в духовной жизни первобытного общества как универсальная форма общественного сознания. Миф – это сказание, являющееся символическим выражением некоторых событий, имевших место у определенных народов в определенное время. Миф, как наиболее ранняя форма духовной культуры человечества, объединял в себе зачатки знаний, религиозных верований, политических взглядов, искусства и др. Мифам свойственно сближение явлений природы и культуры. Здесь человеческие черты переносятся на окружающий мир; природа, космос очеловечивались. Здесь нет четкого разграничения мира и человека, мысли и чувств, вещественного и идеального.
Множество мифов посвящены различным космическим темам, где делается попытка ответить на вопрос о происхождении мира, которое выступало как некоторое творение, постепенное развитие мира из бесформенного состояния (хаос) в упорядоченное (космос). Наряду с вопросом о происхождении мира ставятся вопросы о происхождении людей, их рождения, жизни и смерти. Существует множество мифов о культурных достижениях человека (добывании огня, земледелии, обычаях, обрядах и др.).
Позднее, у развитых народов, мифы связываются друг с другом, выстраиваются в единые повествования, которые выражаются в литературном изложении («Илиада» в Древней Греции, «Рамаяна» в Индии и др.).
В настоящее время мифы вошли в гуманитарную культуру многих народов мира. Они выражены в литературе, живописи, скульптуре, музыке и др.
Наряду с мифологией, как определенной формой мировоззрения, выступает религия. Религия (от лат. religio – благочестие, набожность, святыня) – форма мировоззрения и мироощущения, в которой освоение мира осуществляется через его удвоение на: 1) «земной», естественный, воспринимаемый органами чувств и 2) «небесный», сверхчувственный. Основу религии составляет вера – принятие чего-либо за истину, не нуждающееся в подтверждении со стороны чувств и разума. Внешней формой проявления веры выступает культ – система утвердившихся ритуалов, которые нередко связаны с верой в сверхчувственные свойства мертвеца (погребальный культ), почитанием богов и богинь плодородия (аграрный культ) и др.
В качестве различных форм первобытной религии выступают такие как, например, тотемизм и анимизм. Тотемизм – вера в таинственную связь человеческих групп (родов) с теми или иными видами животных или растений. Наиболее ярко тотемические верования в наше время сохранились у аборигенов Австралии, где в качестве тотема - животного или растения покровителя выступали: Кенгуру, Змея, Ворон и др. Анимизм – вера в невидимых «духов» или «души».
Мифология и религия, наряду с античной натурфилософией, которая рассматривается ниже, явились одними из главных истоков возникновения и дальнейшего развития науки.
Под натурфилософией понимается совокупность философских попыток истолковать и объяснить природу на основе общего знания о ней, выяснить связи и закономерности явлений природы.
Греческая античная натурфилософия начинает формироваться в 7-6 вв. до н.э. Расцвет ее приходится на классический этап (с половины 5 в. и существенная часть 4 в. до н. э.). Следующий третий этап (эллинистический) приходится на конец 4 – 2 в. до н. э. Наконец, выделяют четвертый (Римский) завершающий этап античной натурфилософии (1 в. до н. э. – 5-6 вв. н.э.).
Среди основных направлений античной натурфилософии следует выделить: математическую программу (Пифагор, Платон), атомизм (Левкипп, Демокрит, Эпикур), континуальную программу Аристотеля.
Математическая программа. Согласно большинству сведений, Пифагор происходил с острова Самос, расположенного вблизи ионийского побережья Малой Азии. Его жизнь приходится на период между 584 (582) – 500 г. до н. э. Конкретные обстоятельства его жизни мало известны. Известно, что он посетил Египет, где изучал медицину, математику, астрономию, метеорологию; Вавилон, где познакомился с учением пророка Заратустры; Индию.
В 540 г. до н. э. Пифагор перебирается в город-порт Кротон в южно-итальянской колонии Греции. Здесь он организует из сторонников местной аристократии пифагорейский союз, с целью проведения нравственно-религиозного реформирования жизни, который просуществовал до 4 в. до н. э.,. Он обосновывает целесообразность сохранения во всем вечного и неизменного порядка. Пифагор и пифагорейцы много внимания уделяют математике, особенно отношениям чисел. Отсюда появляется воззрение, что принципы математики, числа являются и принципами мира, а числовые отношения, пропорции – отражением гармонии самого мира. В мире господствует порядок и гармония. Отсюда мир получает название «Космос».
Основные положения пифагореизма можно свести к следующим:
1) мир упорядоченный «Космос»;
2) упорядоченность возникает как следствие существования некоего всепроникающего разума;
3) «… все происходящее в мире повторяется через определенные промежутки времени…» (Порфирий). Такая позиция характерна и для восточных религий.
4) т.к. за видимым миром обнаруживается вневременной порядок, то его сущностью выступают количественные отношения действительности.
Атомистическая программа. Одним из ярких представителей атомизма явился Демокрит (ок. 460-370 гг. до н. э.). Демокрит происходит из знатного семейства в Абдерах, Фракия. Он унаследовал значительное имение, что позволило ему полностью посвятить себя науке. Демокрит много путешествует. Он посещает Египет, Персию, Вавилон, области вблизи Красного моря. Широта знаний Демокрита поражает. Так Диоген Лаэртский приводит более 70 названий его работ из различных областей знания: физики, этики, математики, музыки, астрономии, риторики и др.
Атомизм явился первой физической программой, т.к. она должна объяснить все явления физического мира.
Демокрит полностью разделяет учение Левкиппа об атомах (atomos – неделимый) и пустоте. Атомы находятся в непрерывном беспорядочном движении и характеризуются величиной, формой, порядком и положением. Они являются причиной всех вещей, которые возникают и гибнут благодаря их соединению и разъединению. Атомы сами по себе неизменны; были, есть и будут постоянно теми же самыми. Здесь содержится представление о неуничтожимости и несотворимости материи. Характеристика основных положений атомизма была дана Диогеном Лаэртским так: «Начала вселенной суть атомы и пустота, все остальное лишь считается существующим. Миры бесконечны и подвержены возникновению и разрушению. Ничто не возникает из несуществующего, и ничто не разрушается в несуществующее. Атомы то же бесконечны по величине и количеству, они вихрем несутся во вселенной и этим порождают все сложное – огонь, воду, воздух, землю, ибо все они суть соединения каких-то атомов, которые не подвержены воздействиям и неизменны в силу своей твердости».
Программа Аристотеля. Аристотель родился в 384 г. до н. э. в Стагире, Македония. Отец его Никомах был придворным лекарем македонского царя Аминта второго. В 17 лет Аристотель покинул Стагиру и поселился в Афинах, где стал учеником Платона. В Академии Платона Аристотель почти в течение 20 лет развивает свои знания, но уже менее чем за 10 лет пребывания в ней занимает критическую позицию к философии академиков. В конце концов, из-за несогласия с ними в основных вопросах философии он уходит из Академии и покидает Афины. Он посещает Атарию (Малая Азия), остров Лесбос. Наконец, в 343 г. до н. э. он переселяется в македонскую Пеллу, где становится учителем Александра, сына македонского царя Филлиппа второго.
Аристотель явился создателем самой обширной научной системы античности. Она опиралась на огромный эмпирический материал из области естествознания, общественных наук. Вопросам философии природы, естествознания посвящены следующие его труды: «Физика», «О небе», «О возникновении и гибели», «Метеорология», «О возникновении животных» и др.
Приведем некоторые положения Аристотеля из области естествознания.
Согласно Аристотелю, Космос, как и Земля, которая является его центром, имеет форму шара. Он состоит из многих концентрических небесных сфер, в которых движутся отдельные звезды. Ближайшая к Земле сфера – сфера Луны, дальше идет сфера Солнца, затем сферы планет и, наконец, сфера неподвижных звезд. Все, что находится в пространстве от сферы Луны до Земли, наполнено материей. Она состоит из четырех элементов: огонь, воздух, вода, земля. Все, что находится в пространстве от сферы Луны до границ Космоса, наполнено пятым элементом – эфиром (этером). Образованные из материи небесные тела являются неизменными и находятся в постоянном кругообразном движении. Земля изменяется, но остается неподвижной.
Аристотель различает шесть видов движения: «возникновение, гибель, увеличение, уменьшение, перемену и изменение места». «Противным» движению Аристотель считает покой. Пространство и время он связывает с движением: «Время, таким образом, есть число движения в отношении к предыдущему и последующему и, принадлежа непрерывному, само непрерывно – это ясно». Пространство есть «особая» необходимая реальность, которая проявляется в движении тел, существуя независимо от них.
Три основные научные программы античности лежат в основании науки, дальнейшее развитие которой, по сути, явилось их развитием и преобразованием.
2 Развитие взглядов на строение Вселенной
Зарождение астрономии. Астрономия, пожалуй, является самой древней наукой. Зачатки астрономических знаний уходят в далекое прошлое: древний Египет, Вавилон, Индия, Китай и др. Однако большое количество знаний оставалось практически неизвестным массам людей и являлось привилегией жрецов древнего мира. Даже фараоны Египта не были посвящены во все тайны жрецов. Только избранные допускались к их знаниям (известно, что в их числе были Пифагор и Аристарх Самосский).
Здесь мы кратко остановимся на некоторых достижениях древней астрономии.
На основании продолжительных наблюдений звездного неба древние египтяне разрабатывают одну из совершеннейших систем счета времени. Они вводят обычай делить сутки на 24 часа. Примерно за 2000 лет до н. э. устанавливают продолжительность года в 365 дней. Жрецы умели рассчитывать положение звезд на небе в интересующее их время, учитывая при этом их относительное (!) смещение. Это можно сделать только в том случае, если представить, что звезды находятся на различных расстояниях от наблюдателя на Земле, и каждая из них перемещается относительно наблюдателя со своей индивидуальной скоростью. Такие расчеты (расчеты индивидуальных скоростей) делались не позже 3 тысячелетия до н. э., до начала строения египетских пирамид. Заметим, что современная астрономия подошла к такому уровню вычисления индивидуальных скоростей звезд, только через 300 лет после изобретения телескопа Г. Галилеем. Великие египетские пирамиды в Гизе – Хеопса (Хуфу), Хеффрена (Хафра) и Микерина (Менкаура) связаны с созвездием Ориона, т.к. представляют собой точную проекцию трех звезд пояса созвездия Ориона. В древнем Китае умели с огромной точностью предсказывать солнечные затмения, упоминания о которых имеются в гадательных надписях на черепашьих щитах, сделанных в 14-11 вв. до н. э. Имеются упоминания о наблюдающихся протуберанцах и солнечных пятнах. Уже за 2000 лет до н. э. древнекитайские астрономы установили промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми фазами Луны – синодический месяц в 29,5 дня и продолжительность года в 366 дней. Имеются сведения о том, что астроном Чу Конг около 1100 г. до н. э. определил наклон эклиптики к небесному экватору в 23о54 02. В трудах Ши Шэня (4 в. до н. э.) содержится описание 122 созвездий и каталог 809 звезд.
Астрономические знания древних цивилизаций находят свое широкое применение: установление периода разливов рек (Египет – Нил, Междуречье – Тигр и Евфрат и др.), создание календарей, использование для нужд кочевников-скотоводов, землепашцев, мореходов и др.
Геоцентризм и гелиоцентризм. Геоцентризм – мировоззрение, согласно которому Земля есть центр мира. Гелиоцентризм – мировоззрение, согласно которому в центре мира находится Солнце.
Яркими представителями геоцентризма выступили: Платон, Аристотель и Птолемей. О космологических представлениях Аристотеля мы говорили ранее при рассмотрении античной натурфилософии. Здесь мы кратко рассмотрим основные космологические представления Платона и Птолемея.
Платон Афинский родился 27 мая 427 года до н. э. в Афинах, умер там же в 347 г. Сначала Платон был поэтом, позже под влиянием Сократа стал одним из выдающихся философов своего времени. Согласно Платону, Вселенная – это единая, вечная, живая и совершенная сфера, в центре которой находится Земля. В труде «Тимей» Платона читаем: Земле [творец] определил вращаться вокруг оси, проходящей через Вселенную; он ее сделал стражем и творцом ночи и дня…». В работе «Государство» Платон описывает восемь сфер, на которых укреплены планеты и звезды. Он категорически утверждает, что движение небесных тел является круговым и равномерным.
О жизни другого представителя геоцентризма Клавдия Птолемея известно очень мало. Родился он в Египте, в 127-141 гг. н. э. проводил астрономические наблюдения в Александрии, умер около 160 г.
Его основной труд «Альмагест» состоит из 13 книг, а объем составляет более 900 страниц. Изложенные в первой книге, исходные утверждения сводятся к следующему: «Небосвод имеет шарообразную форму и вращается как шар», «Земля является шаром и расположена в центре мира», «Земля является точкой по сравнению с расстоянием до неподвижных звезд», «Земля не имеет никакого движения».
Наряду с ошибочной предпосылкой о положении Земли во Вселенной (точнее, не смотря на нее) Птолемею удается правильно получать результаты предвычисления положения планет на небе. Дело в том, что любое движение относительно и видимое движение планет и звезд есть отображение истинного движения Земли. Значительное место в «Альмагесте» Птолемей отводит сферической астрономии. Здесь приводятся теоремы о плоских и сферических треугольниках, метод измерения дуг (углов) и т.п. Можно сказать, что Птолемей провел, осуществив громадную работу, синтез всех достижений астрономии и построил стройную геометрическую модель мира.
Представитель гелиоцентризма Аристарх Самосский (около 310-250 гг. до н. э.) родился на острове Самос, некоторое время жил в Александрии. Он был знаком с астрономией древнего Египта, Вавилона. Единственный труд Аристарха, дошедший до нас, «О величинах и расстояниях Солнца и Луны». Здесь им были установлены расстояния в системе Солнце-Земля-Луна. Свои вычисления Аристарх проводил путем геометрических построений.
Основы гелиоцентрической системы мира Аристархом были изложены в его работе «Предположения», которая, к сожалению, до нас не дошла. Об его идеях можно прочитать в труде Архимеда «Псаммит». Они сводятся к следующему: «…неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, расположенного в ее центре, и что центр сферы неподвижных звезд совпадает с центром Солнца…».
Позднее идеи гелиоцентризма нашли свое развитие в трудах Коперника, Бруно, Галилея и др.
3 Наука в эпоху Средневековья
Западная средневековая наука и философия представляют собой длительный отрезок времени (примерно с 1-5 вв. по 15 в.), когда они в большей мере основывались на христианской религии, которая возникает в 1-2 вв. в восточных провинциях Римской империи и затем распространяется на средиземное побережье. В китайской, индийской, исламской культуре, философии, науке в этот период так же прослеживаются некоторые аналогии западно-христианского средневековья.
Согласно христианскому догмату, бог сотворил мир из ничего актом своей воли, своему всемогуществу. Его всемогущество продолжает сохранять и поддерживать бытие мира. Такое мировоззрение получило название креационизма. Средневековое мышление во многом становится теоцентрично, т.е. для него реальностью, определяющей все сущее, становится не природа, а бог. Большое распространение получает схоластика («наука как служанка богословия»), расцвет которой приходится на 12-13 вв. (Альберт Великий, Фома Аквинский).
В средневековье природа уже не выступает как нечто самостоятельное, как это было в античности. Античные боги были как бы родственны природе; христианский бог стоит над природой. Природа перестает быть важнейшим предметом познания; основное внимание теперь переключается на познание бога и человеческой души. Человек выступает в качестве «образа и подобия божьего». Он становится не только «царем» природы, но выходит за рамки самой природы. Человек выступает как пришелец из другого мира («небесного царства», «духовного мира», «неба») и обратно должен в него вернуться. Человек, согласно Библии, сделан из земли и воды, растет и питается, движется, чувствует, как растения и животные, но он теперь оказывается сродни не только им, но и богу.
Бог наделил человека разумом, свободной волей, способностью различения добра и зла; это и есть сущность человека, образ божий. Связующим звеном с природой, над которой человек признан властвовать, служит его тело.
К 12 столетию н. э. ситуация в средневековой науке начала постепенно изменяться. Здесь в развитии астрологии, алхимии, ятрохимии, магии и др. можно обнаружить зачатки науки нового времени. Учение Аристотеля начинает получать широкое распространение.
Особая роль здесь принадлежит английскому философу и естествоиспытателю Роджеру Бэкону (1210-1294). Р. Бэкон выдвигает три основных возражения против схоластики:
1) Схоластам не хватает знания греческого и арабского языков для понимания философии античности. Переводы с греческого и арабского являются неточными и неверно истолковываются.
2) Схоласты практически не знают математику. Сам Р. Бэкон считал математику основой всех наук.
3) Бэкон выступает против схоластического метода в науке, где все решается на авторитетах. Он считает, что наука должна непосредственно исходить из опыта, экспериментов, наблюдений.
Опыт, эксперимент и математика, согласно Бэкону, являются краеугольными камнями всего здания науки. Он исследует законы отражения и преломления света, занимается изготовлением оптических приборов (создание выпуклых стекол, очков).
Его можно считать одним из родоначальников эмпиризма (от греч.-опыт) – направления в теории познания, которое основывается на чувственном опыте.
Иным образом шло развитие науки в Византии. В отличие от Западной Европы, Византия, которая не была подвержена завоеваниям варваров, сохранила основные философские традиции античности.
Рассматривая отличия византийской средневековой культуры от западноевропейской, наряду с устойчивым сохранением античных традиций, следует отметить: более высокий уровень материального производства, широкую поддержку со стороны государства научного и художественного творчества, финансирование государством изучения арабской медицины, памятников восточной литературы, арабской и персидской математики.
Математика и естественные науки в Византии в отличие от Западной Европы получили широкое развитие и ушли дальше античности. Так Иоганн Филопон, еще до Галилея, открыл тот факт, что ускорение свободного падения тел не зависит от их тяжести. Анфимий, известный как строитель храма святой Софии, разработал основы оптики кривых зеркал и использовал их в качестве концентратов солнечной энергии. В Византии был создан огневой телеграф.
Развивается медицина. В Константинополе открываются больницы со специальными отделениями (хирургическое, женское), медицинские училища при них. Создаются руководства по агрономии, коневодству. Развитие получают зоология, ботаника. Византийцы обладали большими практическими знаниями, идущими из Египта, в области химии, необходимыми для производства красителей, цветной поливы, стекла.
Таким образом, хотя средневековая философия и наука в основном развивались в рамках теологии, схоластики, уже здесь мы видим проявление основных черт и направлений их дальнейшего развития, что и было сделано в эпоху Возрождения.

4. Наука в эпоху Возрождения. И. Ньютон.
В эпоху Возрождения (с начала 14 в.) на передний план выдвигается исследование природы, опыт, экспериментальный метод. Видное место завоевывает математика, принцип математизации науки, как одна из основных прогрессивных тенденций в развитии науки. Новые тенденции в науке получают свое отражение в творчестве Леонардо да Винчи (1452-1519), Николая Коперника (1473-1543), Иоганна Кеплера (1571-1630), Галилео Галилея (1546-1642) и др.
Вселенная Н. Коперника и Дж. Бруно. Большое влияние на развитие естествознания оказала новая астрономическая система Н. Коперника, которую затем расширил и углубил Дж. Бруно (1548-1600).
Согласно учению Н. Коперника, Земля, во-первых, вращается вокруг своей оси, чем объясняется смена дня и ночи, а также движение звездного неба. Во-вторых, Земля вращается вокруг Солнца, помещенного Коперником в центр мира. Коперник считает, что Вселенная неизмерима и безгранична, «подобна бесконечности». Основные взгляды Н. Коперника содержатся в его фундаментальном труде «О вращении небесных сфер» (1543), который по своей структуре напоминает «Альмагест» Платона. Первые главы труда Н. Коперника носят названия: «О том, что Земля тоже сферична», «О том, что движение небесных тел вечное, равномерное и круговое, или составлено из круговых движений», «О том, свойственно ли Земле круговое движение и о месте Земли» и т.д.
Во второй книге (14 глав) обсуждаются различные вопросы сферической астрономии: явления, связанные с суточным вращением небесной сферы, преобразования различных систем небесных координат светил, явления равноденствия и солнцестояний, восхода и захода Солнца, звезд. В третьей книге рассмотрено видимое годичное перемещение Солнца на небесной сфере, в четвертой изложена теория движения Луны, в пятой и шестой Коперник изложил теорию движения планет вокруг Солнца.
Коперник вводит понятие «собственного годичного движения» планет, т.е. смещения планет относительно далеких звезд в системе координат, связанной с центром Солнца. Полный период обращения планеты вокруг Солнца он называет сидерическим периодом Т, для Земли Т = 365,26 суток. Одним из выдающихся достижений Коперника было то, что он впервые с большой точностью установил расстояния планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн) от Солнца. В качестве единицы измерения он использовал астрономическую единицу – расстояние от Земли до Солнца.
В 1584 году выходит одна из первых книг Дж. Бруно «Пир на пепле». Здесь изложены взгляды о безграничности Вселенной и неисчерпаемости миров, которые позднее он развил в книгах «О причине, начале и едином» (1584), «О бесконечности, вселенной и мирах» (1584), «О неизмеримом и неисчислимом» (1591). Здесь изложено учение о материальном единстве мира, бесконечного в пространстве и времени. В работе «О неизмеримом и бесчисленном» он писал: «Вселенная едина, бесконечна, неподвижна… Она никоим образом не может быть охвачена и поэтому неисчислима и беспредельна, а тем самым бесконечна и безгранична и, следовательно, неподвижна. Она не движется в пространстве, ибо ничего не имеет вне себя, куда бы могла переместиться, ввиду того, что она является всем. Она не рождается, ибо нет другого бытия, которого она могла бы желать и ожидать, так как она обладает всем бытием. Она не уничтожается, ибо нет другой вещи, в которую она могла бы превратиться, так как она является всякой вещью. Она не может не уменьшиться или увеличиться, так как она бесконечна. Как ничего нельзя к ней прибавить, так ничего нельзя от нее отнять, потому что бесконечное не имеет частей, с чем–либо соизмеримых».
«В нем (небе) – бесчисленные звезды, созвездия, шары, солнца и земли, чувственно воспринимаемые; разумом мы заключаем о бесконечном количестве других».
«Мы видим Солнца, которые более велики или даже бывают величайшими телами, но не видим земель, которые, будучи гораздо меньшими телами, невидимы для нас».
Иоганн Кеплер. Законы движения планет. В 1604 и 1611 годах выходят в свет две книги немецкого астронома И. Кеплера: «Дополнения к Вителию, в которых излагается оптическая часть астрономии» и «Диаптрика, или доказательство того, как становится видимым изображение с помощью недавно изобретенной зрительной трубы». Здесь И. Кеплер доказал, что интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света, указал на существование солнечной короны, открыл явление полного внутреннего отражения.
В 1609 году вышла в свет «Новая астрономия, причинно обоснованная, или физика неба, изложенная в исследованиях движения планеты Марс по наблюдениям благороднейшего мужа Тихо Браге». В ней Кеплер приводит вывод первых двух законов движения планет. Современная их формулировка следующая:
1. Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых (общем для всех планет) находится Солнце.
2. Площади, описываемые радиусами – векторами планет, пропорциональны времени.
В 1619 году из печати выходит книга «Гармонии мира пять книг», где приводится третий закон:
3. Квадраты сидерических периодов обращения планет вокруг Солнца относятся между собой, как кубы их средних расстояний от него.
В 1618, 1620 и 1621 годах тремя частями выходит книга «Очерки коперниковской астрономии», первый учебник по астрономии. Здесь центральное место в планетной системе занимает Солнце, планеты обращаются вокруг него по эллиптическим орбитам, «наш мир с Солнцем является одним из неисчислимых миров», Млечный путь представляет собой кольцо звезд, вблизи плоскости которого расположено Солнце с планетами. В «Очерках» Кеплер подробно излагает теорию солнечных и лунных затмений. Явления приливов он объясняет притяжением Луны.
Галилео Галилей родился в городе Пизе 15 февраля 1564 г. в семье музыканта и математика Винченцо Галилея. Послушник в монашеском ордене, студент медик Пизанского университета знакомится с трудами Аристотеля, Евклида, Архимеда, бросает медицину и посвящает свою жизнь исследованиям в области математики, механики, астрономии, философии.
Одной из первых проблем, заинтересовавших Галилея, было свободное падение тел. Он утверждает: «все тела, сброшенные с определенной высоты, падают с одинаковой скоростью и одновременно достигают поверхности Земли». Галилей дает строгую формулировку таких понятий как скорость, ускорение, инерция, высказывает идею об относительности движения.
Он изобретает и изготавливает телескоп, способный обеспечить 32-кратное увеличение и изучает с его помощью звездное небо. Свои наблюдения Галилей описал в сочинении «Звездный вестник» (1611). Он обнаружил на поверхности Луны горы и кратеры, четыре спутника Юпитера, убедился, что Млечный путь – совокупность звезд, открыл фазы Венеры, солнечные пятна и вращение Солнца.
Из результатов наблюдений следуют мировоззренческие выводы, в которых Галилей обобщает учение Коперника и формулирует концепцию безграничной Вселенной, заполненной множеством звезд с вращающимися вокруг них планетами. Число звезд намного превышает то их количество, которое можно увидеть невооруженным глазом. Тем самым он подтверждает мысль Бруно о том, что просторы Вселенной бесконечны и неисчерпаемы. Один из основополагающих его выводов гласит о том, что гелиоцентрическая система мира, предложенная Коперником, является единственно верной.
Исаак Ньютон. Завершение первого этапа развития науки. Выдающийся английский ученый, основоположник классической теоретической физики И. Ньютон родился 4 января 1643 г. (через сто лет после смерти Коперника и через год после смерти Галилея) в Вульсторне вблизи Грантама в семье фермера.
Величайшим достижением Ньютона явилось открытие закона Всемирного тяготения. Сам Ньютон в 1714 г. писал об этом так: «…Исходя из правила Кеплера о том, что периоды планет находятся в полуторном отношении к расстояниям от центров их орбит (3-й закон Кеплера), я вычислил, что силы, которые удерживают планеты на их орбитах, должны быть обратно пропорциональны квадратам расстояний от их центров, вокруг которых они вращаются. А далее я сравнил силу, требуемую для удержания Луны на ее орбите, с силой тяжести на поверхности Земли и нашел, что они замечательно совпадают…».
И. Ньютоном было открыто явление дисперсии света, т.е. разложение белого света в спектр при пропускании узкого пучка солнечного света через призму. Свои достижения в оптике он доложил в 1672 году в сообщении «Новая теория света и цветов» и в 1704 году в своем труде «Оптика».
Следующее важнейшее достижение Ньютона, это создание им метода дифференциального и интегрального исчисления в 1665 – 1667 гг. К сожалению публикации по данной тематике им были сильно оттянуты. Параллельно с Ньютоном дифференциальное и интегральное исчисление было введено Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646-1716), который в 1684 году напечатал в журнале «Труды ученых» систематическое изложение начал дифференциального и интегрального исчисления. Первый же труд Ньютона по анализу вышел в свет лишь в 1704 году, а главные труды «Анализ с помощью уравнений с бесконечным числом членов» и «Метод флюксий» увидели свет лишь в 1711 и 1736 году, соответственно. Последний уже после смерти автора.
Главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии». Рукопись его была представлена на заседании Королевского общества в 1686 году. Здесь Ньютон дает определение массы, центростремительной силы, излагает представления о пространстве и времени, формулирует три основных закона движения тел. В первых двух книгах (их всего три) рассмотрены вопросы о нахождении центростремительных сил, определение орбит небесных тел, влияние среды на их движение. При этом Ньютон в своих доказательствах не использует дифференциального и интегрального исчислений, а строит их на основе геометрических приемов.
Третья книга «Начал» носит название «О системе мира». Здесь Ньютон формулирует свой знаменитый закон Всемирного тяготения, который сводится к: 1) тяготение существует на всех планетах (Ньютон рассматривал движение Луны и спутников Юпитера и Сатурна); 2) тяготение, направленное к любой планете, обратно пропорционально квадратам расстояний мест к ее центру; 3) все планеты тяготеют одна к другой; 4) все тела тяготеют к каждой планете и вес тела на каждой планете при одинаковых расстояниях от ее центра пропорционален массам этих планет.
с 1703 г. Ньютон состоял президентом Королевского общества. Умер он 31 марта 1727 г. в возрасте 85 лет и похоронен в Вестминстерском аббатстве – национальном пантеоне Англии.
На могиле Ньютона помещена следующая запись: «Здесь покоится сэр И. Ньютон, который почти божественной силой своего ума впервые объяснил при помощи своего математического метода движения и формы планет, пути комет, приливы и отливы океана. Он первый исследовал разнообразие световых лучей и особенности цветов, следующих отсюда, которых до него никто даже не подозревал. Старательный, проникновенный и правдивый толкователь природы, древностей и святого писания, он прославил в своем учении великого всемогущего творца. Простоту, которую требует евангелие, он доказал своей жизнью. Пусть смертные радуются, что среди них жило такое украшение человеческого рода».
С И. Ньютоном заканчивается первый этап развития науки – этап ее становления, и начинается следующий классический этап развития науки.
5. Основные направления и концепции развития науки в период ее классического этапа
Классический этап развития науки охватывает период с 17 в. по 20-е годы 20 в., когда появилась естественнонаучная картина мира на основе квантово-релятивистских представлений, на основе идей эволюции и др.
Классический этап развития естествознания можно условно разбить на два периода: 1) до начала 19 в., 2) 19 в. – начало 20 столетия.
В период первого этапа рассмотрение природы основывалось на предположении о ее неизменности, статичности, неразвивающегося как единое целое. Широкое развитие получают идеи детерминизма – концепции, признающей объективную закономерность и причинную обусловленность всех явлений природы и общества. Идея детерминизма наиболее четко была выражена французским астрономом, математиком, физиком Пьером Симоном Лапласом (1749-1827): «если бы было известно положение всех частей и элементов мира и силы, действующие на них, если бы нашелся ум, объединивший эти данные в одной формуле, не осталось бы ничего не понятного в природе, было бы открыто не только прошлое, но и будущее». «Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался бы достаточно обширным, чтобы подчинить все данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее предстало бы перед его взором».
Наряду с принципом детерминизма широкое распространение получают идеи дальнодействия и абсолютности пространства и времени. Под дальнодействием понимается представление, согласно которому действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на любое расстояние без каких-либо посредствующих звеньев. Абсолютность пространства и времени понимается как независимость их друг от друга и от движения материальных тел. Идея абсолютности пространства и времени, высказанная И. Ньютоном, просуществовала практически до начала 20 века, когда А. Эйнштейном (1879-1955) была создана теория относительности.
В области биологии важнейшее значение приобретают методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала накопленного натуралистами. Большое значение здесь для дальнейшего анализа и исследования происхождения и эволюции живых систем имели: система классификации Карла Линнея (1707-1778), классификация животных Жоржа Бюффона (1707-1788). Без подобных исследований было бы невозможно перейти к: 1) изучению живых структур на клеточном и молекулярном уровне; 2) обобщению и систематизации знаний об отдельных видах и родах растений и животных, осуществить классификацию не на искусственном уровне, а на основе происхождения и развития живых организмов; 3) сформировать целостный взгляд на многообразный, но в то же время единый мир живых существ. Такие первые попытки были предприняты французским естествоиспытателем Жан Батистом Ламарком (1744-1829) и французским зоологом Этьеном Жоффруа Сент-Ипером (1772-1844).
Параллельно идет накопление большого эмпирического материала в области химии. Здесь следует отметить идеи английского химика и физика Роберта Бойля (1627-1691) о некоторых неизменных носителях (позднее их назвали элементами) свойств простых тел и химических соединений, открытие французским химиком Антуаном Лавуазье (1743-1794) закона сохранения массы.
Поворотным пунктом в истории естествознания к современному этапу развития можно считать 19 век. Хотя здесь в основном развитие происходило в рамках классической науки 18 века, уровень знания поднимается до таких высот, которые подготовили почву для новейшей революции в науке в первые три десятилетия 20 столетия.
Прежде всего, следует отметить три величайших открытия второй трети 19 века:
1) создание клеточной теории Якобом Маттиасом Шлейденом (1804-1881);
2) открытие Юлиусом Робертом Майером и Джемсом Прескоттом Джоулем (1818-1889) закона сохранения и превращения энергии;
3) создание Чарлзом Робертом Дарвином (1809-1882) эволюционного учения.
В этот период были заложены основы теории химического строения органических соединений, химической термодинамики, электромагнитной теории, периодической системы элементов, научной физиологии и др.
Наряду с величайшими открытиями широкое распространение получает сеть институтов, академий, быстрое развитие получают прикладные науки, наука входит в тесный контакт с техникой.
Теперь одной из центральных проблем становится синтез знания, поиск путей единства наук, дробление крупных разделов науки на более мелкие, образование новых самостоятельных дисциплин.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие основные научные программы античности Вам известны? Дайте им краткую характеристику.
2. Кто из философов античного периода формировал мировоззрение геоцентризма?
3. О каких идеях гелиоцентризма Аристарха Самосского Вам известно?
4. Что, согласно Бэкону, является «краеугольными камнями» здания науки?
5. Что такое эмпиризм?
6. Какую роль сыграли труды Н. Коперника в развитии науки?
7. Расскажите о взглядах Дж. Бруно на Вселенную.
8. Сформулируйте законы И. Кеплера.
9. Какой вклад внесли труды Г. Галилея в развитие науки?
10. Как называется главный труд И. Ньютона и что в нем изложено?
11. В чем заключается принцип детерминизма?
12. Какие открытия середины XIX века Вам известны?





ТЕСТ
5.1. Назовите основоположника атомистической теории строения материи:
а) Аристотель
б) Демокрит
в) Пифагор

5.2. Геоцентризм – мировоззрение, согласно которому:
а) Солнце – центр Вселенной
б) Земля – центр Вселенной
в) Луна – центр Вселенной

5.3. Работа «Государство» принадлежит:
а) Платону
б) Демокриту
в) Сократу

5.4. Кто одним из первых ввел метод эксперимента в науку:
а) Роджер Бэкон
б) Исаак Ньютон
в) Роберт Гук

5.5. В какой работе Дж. Бруно впервые были высказаны идеи о безграничности Вселенной:
а) «О неизмеримом и неисчислимом»
б) «О бесконечности, Вселенной и мирах»
в) «Пир на пепле»

5.6. Идея «детерминизма» была высказана и развита:
а) Пьером Симоном Лапласом
б) Фрэнсисом Бэконом
в) Иммануилом Кантом


6. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

1. Фундаментальные физические взаимодействия
Под взаимодействием понимается развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением.
В настоящее время известны четыре типа фундаментальных взаимодействий, которые определяют структуру объектов во Вселенной и к которым сводятся все взаимодействия в Природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Согласно современной концепции близкодействия, в отличие от концепции дальнодействия, любое взаимодействие протекает с конечной скоростью, пределом которой является скорость света в вакууме, и нуждается в носителе передачи взаимодействия. В современной концепции близкодействия различают две модели: полевую и квантовую. Согласно полевой модели взаимодействие осуществляется посредством некоторых физических полей. Их примерами могут служить гравитационное и электромагнитное поля. Согласно квантовой модели взаимодействие между микрочастицами осуществляется путем обмена виртуальными частицами – переносчиками взаимодействия.
К основным характеристикам фундаментальных взаимодействий относят их интенсивность и радиус действия, т.е. расстояния на которых данное взаимодействие проявляет себя заметным образом.
Сильное взаимодействие обусловливает связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. Оно является наиболее интенсивным из всех фундаментальных взаимодействий, радиус действия его порядка 10-15 м. (примерный радиус атомного ядра).
Электромагнитное взаимодействие, примерами которого могут служить силы Кулона и силы Ампера, примерно в сто раз менее интенсивно, чем сильное. Силы электромагнитного взаимодействия медленно убывают с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния) и радиус его действия принимают равным бесконечности.
Слабое взаимодействие вызывает превращения элементарных частиц с участием нейтрино. Примером его проявления может служить бета–распад. Радиус действия слабого взаимодействия составляет порядка 10-18 м.
Гравитационное взаимодействие, проявлением которого служит сила тяжести, является наименее интенсивным. Как и в случае электромагнитного взаимодействия силы гравитационного взаимодействия медленно убывают с расстоянием и радиус его действия считают бесконечным.
Человек может воспринимать два типа взаимодействий: гравитационное и электромагнитное. Сильное и слабое взаимодействия непосредственно не воспринимаются человеком, но они играют основополагающую роль в образовании разнообразных объектов микромира.
В настоящее время заметна тенденция к объединению фундаментальных взаимодействий. Первым успехом здесь стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие. Осуществляются попытки объединения электрослабого и сильного взаимодействий. В перспективе ставится задача объединения всех четырех типов фундаментальных взаимодействий – суперобъединение.
2. Закон сохранения и превращения энергии
Открытие закона сохранения и превращения энергии явилось одним из величайших достижений науки 19 века. Его открытие непосредственно связано с предыдущем развитием всех областей физики и естествознания. Независимо друг от друга почти одновременно к установлению закона сохранения и превращения энергии пришли Юлиус Роберт Майер (1814-1878), Джем Прескотт Джоуль (1818-1889) и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894).
Р. Майер пришел к идее превращения и сохранения энергии в 1841 г. Журнал «Annalen der Physik» публикует первую его научную статью «О количественном и качественном определении сил», в которой он пишет «Движение, теплота и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к одной силе [энергии], которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам».
К сожалению, эта работа, как и вторая его работа «Замечания о силах неживой природы» (1842) не привлекли внимания ученых. Интерес к данной проблеме у физиков появился только после публикации работ Джоуля и Гельмгольца.
В 1842 г. под влиянием работ Майкла Фарадея (1791-1867) Джоуль исследует тепловые эффекты электрического тока (закон Джоуля-Ленца). В 1843 г. он определяет механический эквивалент теплоты (4,5 Дж/кал), впоследствии он усовершенствует свои опыты и будет проводить их вплоть до 1878 г.
Расчеты Майера и опыты Джоуля позволили сформулировать принцип эквивалентности между теплотой и работой: «во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится количество тепла, равное полученной работе, и наоборот, при затрате работы получается то же количество тепла». Этот вывод получил название первого начала термодинамики.
Если в работах Майера для установления закона сохранения и превращения энергии большую роль сыграло общефилософское убеждение во взаимосвязи сил природы, для Джоуля его эксперименты, то немецкий ученый Гельмгольц в своих работах, в частности «О сохранении силы» (1847), проанализировал закономерности превращения энергии с точки зрения физической теории. Гельмгольц сумел связать воедино результаты всех многих исследований, относящихся к разным областям физики.
3. Электромагнитная концепция. Корпускулярно-волновой дуализм света
Электродинамика – наука, о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами и токами.
Понятие поля для описания электромагнитных явлений было введено английским физиком Майклом Фарадеем, которому принадлежит открытие явления электромагнитной индукции. Сущность явления электромагнитной индукции состоит в том, что переменное магнитное поле всегда порождает в окружающем пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (вихревое электрическое поле). На этом явлении основана работа электродвигателей и генераторов электрического тока.
Помимо открытия явления электромагнитной индукции (1831) следует отнести к достижениям Фарадея следующие: открытие законов электролиза (1834), обнаружение поляризации диэлектриков и введение понятия диэлектрической проницаемости (1837), экспериментальное доказательство закона сохранения электрического заряда (1843), открытие диамагнетизма и обнаружение явления вращения плоскости поляризации света в веществе, помещенном в магнитное поле (1845), открытие парамагнетизма (1847) и др.
Математическая теория электромагнитного поля была позднее развита английским физиком Джемсом Клерком Максвеллом (1831-1897). Все основные проявления электромагнитного поля он выражает с помощью систем из двадцати уравнений (впоследствии О. Хевисайдом и Г. Герцем система уравнений Максвелла приводится к более простому виду, который используется в наши дни). Из этих уравнений вытекает: 1) переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом и образуют единое электромагнитное поле; 2) существование электромагнитных волн, которые распространяются в вакууме со скоростью совпадающей со скоростью распространения света; 3) поперечность электромагнитных волн: «Электромагнитное поле в каждой точке характеризуется напряженностью электрического и магнитного полей. Напряженность электрического и магнитного полей – величины векторные, т.к. характеризуются не только величиной, но и направлением. Векторы напряженности полей взаимно перпендикулярны и перпендикулярны к направлению распространения».
Вывод Максвелла о том, что скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью распространения света приводит к созданию электромагнитной теории света, согласно которой свет представляет собой частный случай электромагнитных волн в диапазоне от 380 до 760 нм. Экспериментально электромагнитные волны были обнаружены немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем (1857-1894).
Корпускулярно-волновой дуализм света. К концу 17 в. возникают две теории света: корпускулярная, предложенная И. Ньютоном, согласно которой свет представляет собой поток частиц, и волновая, предложенная Х. Гюйгенсом, в которой свет рассматривался как упругая волна.
К началу 19 в. были открыты явления интерференции и дифракции света, в которых свет проявляет волновые свойства. Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух или нескольких световых волн происходит перераспределение энергии в пространстве. Для наблюдения устойчивой картины интерференции (чередование светлых и темных полос на экране) необходимо соблюдение условия когерентности волн, т.е. самосогласованного протекания колебательных и волновых процессов. Дифракция света состоит в явлении отклонения света от прямолинейного распространения на различных препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны. Поляризация света проявляет себя в изменении интенсивности света в зависимости от взаимной ориентации кристаллов при пропускании света через них. Это явление объясняется на основе предположения о поперечности световых волн.
Исследование явлений интерференции, дифракции, поляризации света, построение электромагнитной теории Максвелла привели к утверждению волновой теории света.
Однако в конце 19 в. и начале 20-го был обнаружен ряд эффектов, которые оказалось невозможным объяснить на основе волновых представлений. Одной из проблем, стоящей перед физиками конца 19-го в., была проблема излучения черного тела, т.е. тела, поглощающего всю падающую на него энергию. Попытки объяснить излучение черного тела и его закономерности были предприняты Вильгельмом Вином (1864-1927) и Джоном Уильямом Рэлеем (1842-1919). Из классической теории следовало, что раскаленное тело с течением времени должно отдавать все больше тепла в окружающее пространство и яркость его свечения должна все больше возрастать («ультрафиолетовая катастрофа»). Проблема излучения черного тела была решена немецким физиком Максом Карлом Эрнстом Людвигом Планком (1858-1947). 14 декабря 1900 г. М. Планк докладывает Берлинскому физическому обществу о своей знаменитой гипотезе и новой формуле излучения. Согласно гипотезе Планка, излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия Е которых определяется частотой :
E = h,
где h = 6,63 10-34 Дж • с – постоянная Планка. На основе этой гипотезы удалось полностью объяснить тепловое излучение черного тела.
В 1905 г. А. Эйнштейн на основе предположения о том, что свет не только испускается отдельными порциями, но и поглощается в виде отдельных порций, объяснил все закономерности явления фотоэффекта открытого в 1887 г. Г. Герцем.
Явление фотоэффекта состоит в испускании электронов веществом под действием света. Количественные закономерности фотоэффекта были экспериментально установлены Александром Григорьевичем Столетовым (1839-1896): 1) количество вырываемых с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) пропорционально интенсивности падающего на поверхность тела излучения; 2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности светового излучения; 3) если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты (красная граница фотоэффекта), то фотоэффект не наблюдается; 4) фотоэффект протекает практически мгновенно.
На основе волновой теории удавалось объяснить только первый из четырех законов фотоэффекта.
Итак, в ряде экспериментов свет обнаруживает наряду с волновыми свойствами и свойства частиц – фотонов, обладающих энергией и импульсом. Фотон – частица, обладающая нулевой массой покоя, но имеющая определенную энергию и импульс.
Итак, изучение свойств распространения света и его взаимодействия с веществом привели к корпускулярно-волновому дуализму света: свет способен проявлять как свойства волны, так и свойства частиц. Заметим, что природа света едина (!) - электромагнитная, а свойства его носят двойственный характер.



4. Основные концепции квантовой механики. Строение атомов.
Представление об атомах как мельчайших неделимых частицах вещества возникло во времена античности. Но в средние века идея атомизма не получает признания и только к началу 18 века идеи атомизма вновь приобретают свою популярность. Большой вклад в возрождение теории атомизма был внесен французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794), русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765), английским химиком и физиком Джоном Дальтоном (1766-1844). При этом до конца 19 в. основополагающим утверждением было, что атом есть наименьшая частица простого вещества, предел делимости материи.
По сути, изучение внутреннего строения атомов начинается с 1897 г., когда английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) при исследовании катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах, открыл электрон. Вот что пишет Томсон о своем открытии: «После длительного обсуждения экспериментов оказалось, что мне не избежать следующих заключений:
1. Атомы не неделимы, так как из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием электрических сил, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света и тепла.
2. Эти частицы все одинаковой массы, несут одинаковый заряд отрицательного электричества, от какого бы рода атомов они не происходили, и являются компонентами всех атомов.
3. Масса этих частиц меньше, чем одна тысячная масса атома водорода. Я вначале назвал эти частицы корпускулами, но они теперь называются более подходящим именем «электрон».
На основе своих результатов Томсон предложил свою модель атома. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного вещества, внутрь которого вкраплены электроны. Однако модель Томсона не могла объяснить, открытый к тому времени эффект испускания положительно заряженных альфа-частиц радиоактивными веществами.
Опыты английского физика Эрнеста Резерфорда (1871-1937) в 1911 г. по исследованию движения альфа-частиц в газах и других веществах привели к созданию планетарной модели атома. Результаты опытов Резерфорд изложил в «Философском журнале» в статье «Рассеяние альфа- и бета-частиц в Веществе и Строение Атома». Согласно модели Резерфорда в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Так как масса электрона ничтожно мала, то почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
Далее было установлено, что чем больше заряд ядра, тем сильнее отклоняются альфа-частицы от прямолинейного пути при прохождении через вещество. Это позволило уточнить формулировку периодического закона Д.И. Менделеева: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости не от атомной массы элементов, а от электрического заряда их ядер. В соответствии с величиной заряда ядер элементы выстраиваются в определенной последовательности.
В свою очередь в модели Резерфорда имелись и существенные недостатки. Согласно классической электродинамике электрон в процессе вращения с центростремительным ускорением должен часть своей энергии терять на излучение и за короткое время упасть на ядро. Спектр излучения атома должен быть непрерывным.
Однако, большинство атомов являются стабильными, устойчивыми системами, а изучение спектров излучения разреженных газов (т.е. спектров излучения отдельных атомов) показали, что в их излучении представлены только отдельные частоты, т.е. спектр отдельных атомов носит линейчатый, а не непрерывный характер. Атомы вещества испускают свет только в строго определенных, для каждого вещества своих, узких спектральных интервалах.
Недостатки теории Резерфорда частично удалось исправить датскому физику Нильсу Хенрику Давиду Бору (1885-1962). Результаты своих размышлений и расчетов по строению атомов им были опубликованы в 1913 г. Тогда и были сформулированы два знаменитых постулата:
1. В атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением.
2. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.
На основании теории Н. Бора удалось объяснить линейчатый спектр атома водорода, рассчитать радиусы стационарных орбит для электрона в атоме водорода. Однако, на основе теории Бора не удалось построить теорию многоэлектронных атомов. Затруднения были преодолены при построении квантовой механики.
Корпускулярно-волновой дуализм вещества. Развив представления о двойственном поведении электромагнитного излучения французский физик Луи де Бройль (1892-1987) в 1923 г. выдвинул гипотезу о двойственном характере поведения микрочастиц. Согласно этой гипотезе: всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства; в зависимости от внешних условий микрообъекты проявляют либо свойства частиц, либо волновые свойства.
Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм приобретает универсальный характер: не только фотоны, но и электроны и любые другие микрочастицы наряду с корпускулярными обладают и волновыми свойствами.
Экспериментально гипотеза де Бройля была подтверждена в опытах американских физиков Клинтона Джозефа Дэвиссона (1881-1958) и Лестера Халберта Джермера (1896-1971), которые обнаружили явление дифракции электронов на монокристаллах никеля.
Огромный вклад в развитие квантовой механики был внесен немецким физиком Вернером Карлом Гейзенбергом (1901-1976) и австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шредингером (1887-1961). Шредингера можно считать основателем волновой квантовой механики, где описание состояния микрочастицы осуществляется с помощью волновой функции, введенной немецким физиком Максом Борном (1882-1970). Согласно Борну состояние микрообъекта носит вероятностный характер, а квадрат модуля волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в той или иной точке пространства (плотность вероятности). В 1926 г. Шредингер сформулировал основное уравнение квантовой механики, которому подчиняется волновая функция.
Гейзенберг явился основателем матричной квантовой механики. Для описания поведения микрообъектов он использует матричный математический аппарат. Здесь каждой характеристике электрона, микрочастицы: координате, импульсу, энергии и др. ставятся в соответствие определенные матрицы, для которых затем записываются соответствующие уравнения. Матричный подход Гейзенберга нашел широкое применение и в настоящее время именно он в большинстве задач используется для практических вычислений.
Гейзенберг отмечает, что квантово-механические матрицы координаты и импульса не коммутируют друг с другом (не подчиняются перестановочному закону, т.е. АВ  ВА). Это является математическим выражением принципа неопределенностей, сформулированным им в 1927 г.: микрочастица не имеет одновременно точных значений координаты и соответствующей ей проекции импульса, а следовательно, не имеет траектории движения. В частности, электрон в атоме не имеет траектории; вместо непрерывных кривых (стационарные орбиты Бора) есть некоторый дискретный набор чисел (квантовые числа), значения которых зависят от номера начального и конечного состояний электрона.
В 1927 г. Н. Бор формулирует принцип дополнительности: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Так координата и соответствующая ей проекция импульса являются дополнительными друг к другу величинами.
Дальнейшее развитие квантовая теория получает в исследованиях английского физика Поля Дирака. В 1928 г. им была построена релятивистская теория движения электрона на основе применения в квантовой механике основных положений теории относительности. Из теории Дирака вытекал вывод о возможности существования положительно заряженного «электрона». Через 4 года такая частица – позитрон уже была открыта.
С теоретическим исследованием поведения электронов в атомах связаны работы швейцарского физика – теоретика Вольфганга Паули. Он сформулировал один из важнейших принципов теоретической физики – принцип запрета (принцип Паули).
Принцип Паули утверждает, что на одной орбите не может одновременно находиться более двух электронов, при этом спины у электронов должны быть противоположно направлены. В современной формулировке этот принцип звучит так: две тождественные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии. Под спином частицы понимается собственный механический момент импульса частицы, всегда присущий данному виду частиц, определяющий их свойства, обусловленный их квантовой природой. В отличие от классического момента импульса, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только определенные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности, спиновое квантовое число, у одних частиц имеет только целочисленные значения (бозоны), а у других – полуцелые (фермионы). Принцип Паули распространяется только на фермионы, к числу которых принадлежат электрон, протон, нейтрон. Из спиновое квантовое число 1/2.
Принцип Паули позволил объяснить расположение химических элементов в периодической системе и состав атомных ядер.
Классификация элементарных частиц. Представление об атоме как о наименьшей неделимой структурной частице вещества претерпело с конца 19-го века принципиальные изменения.
Прежде всего, был открыт электрон. Его характеристики были определены в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном. Было установлено, что ион водорода, который Резерфорд назвал в 1914 г. протоном, является элементарным носителем положительного заряда. В 1920 г. Резерфордом было предсказано существование нейтрона, который был открыт в 1932 г. В том же году был открыт позитрон.
К настоящему времени открыто несколько сотен элементарных частиц. Естественно, что столь большое число элементарных частиц нуждается в конкретной классификации. Одним из тех, кто взялся за решение задачи классификации элементарных частиц, был Марри Гелл-Манн (р. 1929). В основе классификации элементарных частиц лежит их возможность участвовать в тех или иных видах фундаментальных взаимодействий.
Элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, получили название лептонов. Класс лептонов состоит из шести частиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино) и шести античастиц.
Частицы, которые способны участвовать в сильном взаимодействии, относятся к группе адронов. Адронов очень много. Они состоят из кварков, и все их большое разнообразие можно свести к сочетанию кварков – элементарных частиц с дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3. Класс кварков, как и класс лептонов, состоит из шести частиц и шести античастиц.
Адроны, образуемые комбинациями трех кварков, носят название барионов (протон, нейтрон и др.). Адроны, состоящие из кварка и антикварка, называются мезонами. Кварки не встречаются в свободном состоянии, а образуют связанные соединения (адроны).
К отдельной группе частиц следует отнести частицы – переносчики взаимодействий. Так электромагнитное взаимодействие передается нейтральным фотоном не имеющим массы, что обусловливает большой радиус этого взаимодействия. Переносчики слабого взаимодействия, два промежуточных векторных бозона W и один нейтральный Z – бозон, обладают большой массой и обеспечивают осуществление слабого взаимодействия только на очень коротких расстояниях.
По времени жизни частицы можно разбить на: 1) стабильные (электрон, протон, фотон, нейтрино); 2) квазистабильные – распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий (нейтрон; 3) нестабильные – распадающиеся вследствие сильного взаимодействия (-мезоны).
5.Равновесная (классическая) и неравновесная термодинамика.
Классическая термодинамика 19 века занималась изучением тепловых явлений без учета молекулярного строения тел. При этом предметом ее исследований выступали закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.
Основу классической термодинамики составляют несколько постулатов (начал).
Первое начало термодинамики, представляющее собой закон сохранения и превращения энергии, в современной формулировке звучит так: количество теплоты, сообщаемое системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.
Результаты многочисленных наблюдений показывают, что в отличие от механических процессов, тепловые процессы необратимы. Всякая замкнутая система с течением времени стремится перейти в состояние термодинамического равновесия. Достигнув состояния термодинамического равновесия, замкнутая физическая система остается в нем сколь угодно долго. Таким образом, все термодинамические процессы в замкнутых физических системах являются необратимыми и носят направленный характер. Австрийский физик Людвиг Эдуард Больцман (1844-1906) писал следующее: «Когда произвольная система тел будет предоставлена сама себе и не подвержена действию других тел, то всегда может быть указано направление, в котором будет происходить каждое изменение состояния». Направление протекания процессов характеризуется функцией состояния - энтропией, которая неотрицательна, максимальна в состоянии термодинамического равновесия, и отсюда вывод: «всякая замкнутая система тел стремится к определенному состоянию (состоянию термодинамического равновесия), для которого энтропия будет максимум» (второе начало термодинамики).
Л. Больцман дал статистическую интерпретацию второго начала термодинамики и вскрыл его вероятностный характер. Согласно Л. Больцману энтропия характеризует меру хаоса, беспорядка в системе. Наибольшей вероятностью осуществления обладает состояние термодинамического равновесия. При переходе системы из неравновесного состояния в состояние равновесия вероятность состояния возрастает, система переходит от состояния порядка к состоянию хаоса, беспорядка.
Если в равновесной классической термодинамике изучались замкнутые системы, то неравновесная термодинамика изучает процессы в открытых системах, находящихся далеко от равновесного состояния. Исследованием поведения открытых систем занимается синергетика.
Рассмотрим основные свойства открытых систем: 1) реакцию системы на внешние условия; 2) случайный характер поведения системы; 3) наличие переломных точек в развитии системы – точек бифуркации; 4) согласованное поведение всех частей системы, ее когерентность.
Изучение поведения открытых систем позволило прийти к пониманию целого ряда вопросов эволюции в неживой и живой природе. Отметим термодинамический аспект синергетики, открытые системы способны не только поддерживать упорядоченность системы, но и создавать ее из хаоса, беспорядка. Такие системы носят название диссипативных систем. Диссипативные системы рассеивают энергию в окружающую среду, т.е. производят энтропию. В результате этого в системе возникает порядок, а общая энтропия (энтропия системы и окружающей среды) возрастает.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие типы фундаментальных взаимодействий известны?
2. Дайте понятие концепции близкодействия, дальнодействия.
3. Сформулируйте закон сохранения энергии – первое начало термодинамики.
4. Кто разработал теорию электромагнитного поля.
5. Сформулируйте гипотезу Планка.
6. Как Вы понимаете корпускулярно-волновой дуализм света?
7. Какие ученые изучали строение атомов?
8. В чем заключается периодический закон Д.И. Менделеева?
9. В чем заключается корпускулярно-волновой дуализм вещества?
10. Какие ученые внесли существенный вклад в развитие квантовой механики.
11. Что такое адроны, лептоны?
12. Что характеризует энтропия?
13. Какие системы называют открытыми?

ТЕСТ

6.1. Радиус действия слабого взаимодействия составляет:
а) 10-10 м
б) 10-18 м
в) 10-15 м

6.2. Кому из ученых принадлежит открытие элементарной частицы – «электрон»:
а) Антуану Лавуазье
б) Джозефу Томсону
в) Максу Планку

6.3. Гипотеза о волновых свойствах микрочастиц была выдвинута:
а) Максом Планком
б) Альбертом Эйнштейном
в) Луи де Бройлем
6.4. Принцип дополнительности был сформулирован:
а) Эдвином Гейзенбергом
б) Полем Дираком
в) Нильсом Бором

6.5. Принцип Паули распространяется на:
а) бозоны
б) фермионы
в) те и другие частицы


7. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

Космология - это учение о Вселенной как целом, которое включает в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области как части Вселенной (Метагалактика). В космологии рассматривается распределение, взаимодействие и движение масс в пространстве, геометрические свойства пространства, превращения энергии во Вселенной.
1. Вселенная по Ньютону и по Эйнштейну
Космология начинает развиваться на строгой научной основе после открытия И. Ньютоном закона Всемирного тяготения. В соответствии с этим законом любые материальные тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Гравитационное взаимодействие согласно теории Ньютона передается от одного тела к другому мгновенно на каком бы расстоянии они не находились друг от друга. Сила тяготения направлена по прямой линии, соединяющей центры масс этих тел. Если тело помещено в поле тяготения нескольких других тел, то сила притяжения, действующая на данное тело, является векторной суммой сил, создаваемых каждым телом.
Согласно ньютоновской теории пространство подчиняется евклидовой геометрии, где кратчайшими расстояниями между двумя точками являются отрезки прямых линий. Пространства и время считаются абсолютными, т.е. их свойства не зависят от материи и ее движения.
Наряду с представлением о евклидовой геометрии трехмерного пространства складывается представление об однородности и изотропности бесконечной Вселенной. Если рассматривать сравнительно небольшие участки пространства, то звезды распределены в них неравномерно. По мере развития астрофизических исследований было обнаружено, что звезды группируются в гигантские скопления - галактики, и что общая картина Вселенной представляется совокупностью отдельных скоплений галактик. Скопления галактик содержат тысячи галактик и их размеры составляют порядка нескольких мегапарсек (Мпк). Один парсек равен 3,1 • 1020 м. Среднее расстояние между скоплениями галактик около 30 Мпк. Таким образом, в масштабах примерно 30 Мпк. Вселенная является неоднородной, здесь имеются отдельные структурные элементы, распределенные в пространстве неравномерным образом. В масштабах порядка 1000 Мпк. Содержится примерно одинаковое количество скоплений галактик, т.е. в больших масштабах Вселенная приблизительно однородна. Наряду с этим оказывается, что свойства Вселенной одинаковы по всем направлениям, т.е. Вселенная является изотропной. Итак: в больших масштабах Вселенную с большой степенью точности можно считать однородной и изотропной.
Из наблюдений постепенно складывается представление о статичности Вселенной, т.е. неизменности ее строения со временем. В частности на это указывало наблюдаемое постоянство положения звезд и туманностей относительно друг друга. Видимые движения при этом сводились к периодическим движениям планет вокруг Солнца.
В 1905 году была опубликована статья А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся сред», а через год появилась вторая статья «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». В них практически полностью была изложена специальная теория относительности (СТО).
В основе СТО лежат два постулата. Первый постулат СТО – принцип относительности – гласит, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно, действуют одни и те же законы природы. Второй постулат СТО гласит, что скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала. Скорость света является предельной скоростью, ни один из процессов в природе не может иметь скорость, большую, чем скорость света ~ 300 тысяч километров в секунду.
Из постоянства скорости света вытекают относительность расстояний и относительность промежутков времени. Относительность расстояний означает, что размеры быстро движущихся тел сокращаются по сравнению с длиной покоящихся тел и при приближении к скорости света их размеры стремятся к нулю. Относительность промежутков времени заключается в замедлении хода часов в быстродвижущейся системе по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета.
СТО устанавливает эквивалентность массы и энергии: энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света.
Следующим этапом учения о пространстве и времени явилось создание немецким математиком Г. Минковским в 1908 году математического аппарата СТО. Здесь пространство и время объединяются в единый четырехмерный континуум пространство-время. В одном из своих докладов Г. Минковский сказал: «Отныне пространство само по себе и время само по себе полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий сохраняет самостоятельное существование».
Дальнейшее развитие идеи СТО получили в общей теории относительности (ОТО), которая была создана А. Эйнштейном через одиннадцать лет после СТО. В ОТО рассматривается движение тел в сильных гравитационных полях. Т.к. согласно СТО все взаимодействия в природе распространяются с конечной скоростью, ограниченной скоростью света, то потребовался пересмотр классической теории тяготения Ньютона, предполагавшего, что гравитационное взаимодействие происходит мгновенно.
В основе ОТО лежит принцип эквивалентности, следующий из равенства инерциальной массы, входящей в законы классической механики Ньютона, и гравитационной массы, входящей в закон всемирного тяготения. Принцип эквивалентности утверждает: однородное поле гравитационных сил эквивалентно полю сил инерции в неинерциальной системе отсчета.
Следующим достижением ОТО можно назвать установление связи между гравитацией и геометрией четырехмерного пространства-времени Г. Минковского. Согласно ОТО движение свободной частицы по инерции в поле тяготения происходит по экстремальным линиям (геодезическим) в пространстве-времени, геометрия которого не является евклидовой (криволинейность пространства). Пространство-время оказывается зависящим от движения и распределения материи. В свою очередь, распределение и движение материи зависит от геометрии пространства-времени. Тем самым устанавливается неразрывная связь между пространством-временем и материей.
Итак, в основе определенных моделей Вселенной должны лежать предположения об ее однородности и изотропности в больших масштабах и основные уравнения и положения ОТО о свойствах пространства-времени и его неразрывной связи с движущейся материей.
2. Модель расширяющейся Вселенной
В 1922-1924 годах на основе представлений об однородной, изотропной, бесконечной Вселенной и уравнений ОТО советским математиком А. Фридманом были получены результаты, говорящие о том, что Вселенная должна быть нестационарной. С течением времени она должна либо неограниченно расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать. Как конкретно должны двигаться галактики, будет ли происходить расширение или сжатие? Для ответа на этот вопрос необходимо знать, какова скорость галактик в некоторый момент времени, потом, зная ускорение, даваемое силами тяготения, следует рассчитать, как будут меняться скорости с течением времени. Если задать в некоторый момент времени покой галактик, то в последующие моменты времени галактики начнут сближаться, Вселенная будет сжиматься. Если в начальный момент времени задать скорости галактик так, чтобы они удалялись друг от друга, то мы получим расширяющуюся модель Вселенной, расширение которой тормозится тяготением.
Значения скоростей галактик теория дать не в состоянии. Их можно получить только из наблюдений. Для определения скоростей далеких галактик можно использовать эффект Доплера. Суть этого эффекта заключается в том, что при удалении или приближении источника электромагнитных (или звуковых) волн к приемнику увеличивается или уменьшается длина волны принимаемого излучения - происходит смещение спектральных линий в красную или фиолетовую области спектра. Величина смещения z определяется из соотношения z = (0- )/=v/c, где 0 – длина волы спектральной линии, наблюдаемой в лаборатории, v – скорость объекта, с – скорость света. В 1920-1922 годах американский астрофизик В.М. Слайфер исследовал спектральные линии поглощения около 40 галактик. Им было установлено, что у большинства галактик имеется сравнительно небольшое смещение спектральных линий поглощения химических элементов в красную область. Итак, согласно Слайферу, галактики от нас удаляются. Американским астрономом Э. Хабблом были определены расстояния до ближайших к нам галактик. Измерение расстояний до галактик и результаты исследований Слайфера позволили в 1929 году Э. Хабблу открыть закон (закон Хаббла), согласно которому скорости удаления галактик возрастают по мере возрастания расстояний от нашей Галактики: чем дальше галактика, тем больше скорость ее удаления, т.е.:
v = H R ,
где H – постоянная Хаббла. Современные данные по определению постоянной Хаббла приводят к значению близкому к 75 (км/с)/Мпк. Соотношение между скоростью v, с которой галактика удаляется от нас, и расстоянием R до нее не зависит от направления, в котором мы наблюдаем галактики, т.е. эффект разбегания галактик носит изотропный характер, что указывает на изотропный характер расширения Вселенной. Из интерпретации закона Хаббла следует, что в некоторый момент времени в прошлом все расстояния обращались в нуль. Отдельные галактики, звезды и др. не могли существовать как изолированные объекты. Вся материя находилась в состоянии непрерывно распределенного однородного вещества. Это был момент начала расширения Вселенной. Позже, в ходе расширения, вещество распадается на отдельные части, что приводит к образованию отдельных небесных тел.
В настоящий момент времени Вселенная расширяется. Этот процесс из-за сил гравитации протекает с замедлением. С расширением плотность падает, замедление уменьшается. Для будущего Вселенной имеются две возможности. Первая: плотность вещества во Вселенной достаточно мала и замедление мало. В этом случае расширение будет протекать неограниченно долго. Вторая: плотность вещества во Вселенной достаточно велика, велико замедление расширения. В этом случае расширение прекращается и сменяется сжатием. Существует критическое значение плотности вещества крит , отделяющее один случай от другого. Критическая плотность примерно равна 10-26 кг/м3 . Если наблюдения покажут, что плотность вещества в настоящий момент >крит, то расширение должно смениться сжатием, при <крит расширение будет длиться бесконечно долго. На основе существующего уровня наших знаний о распределении вещества во Вселенной принято считать, что реальная средняя плотность чуть меньше критической плотности. Если это представление верно, то реализуется первая возможность расширение будет протекать неограниченно долго.
От величины средней плотности вещества зависят и геометрические свойства Вселенной. Согласно ОТО, степень искривления пространства зависит от массы тяготеющего вещества. Чем больше масса – тем сильнее кривизна. При больших массах кривизна может стать настолько велика, что может произойти «свертывание» пространства. Пространство становится конечным, но безграничным. Если масса мала, то «свертывания» пространства не происходит и пространство является бесконечным. Первый случай отвечает «замкнутому» миру, второй – «открытому».
3. Модель горячей Вселенной
Для определения того, как происходило расширение Вселенной с момента начала расширения, какие процессы при этом протекали, необходимо провести расчеты при разных предположениях о расширении, о состоянии и составе вещества во Вселенной и сравнить результаты расчетов с наблюдениями.
Согласно модели расширяющейся Вселенной на основе закона Хаббла можно примерно установить момент времени начала расширения Вселенной. Расчеты показывают, что это произошло около 15 миллиардов лет тому назад. К настоящему времени наибольшее распространение получила модель горячей Вселенной, которую предложил американский физик Дж. Гамов. Согласно модели Гамова современная наблюдаемая Вселенная представляет собой результат катастрофически быстрого разлета материи, находившейся до того в сверхплотном состоянии. Плотность вещества спустя 10-43 с. после начала расширения (Большого Взрыва) примерно в 10108 раз превосходила ядерную плотность. Температура вещества превышала десятки тысяч миллиардов градусов. Разлет вещества происходил со скоростями порядка 250 км/с.
В космологии выделяют несколько периодов в эволюции Вселенной после Большого Взрыва. Каждый период характеризуется определенными процессами. В первоначальный период, который длился всего нескольких секунд, вещество Вселенной находилось в состоянии фотонной плазмы: на один миллиард фотонов (квантов света) приходилась только одна частица. Фотоны рождаются и уничтожаются при взаимодействии с элементарными частицами. Фотон рождается при взаимодействии частицы и античастицы. Частицы при этом исчезают (аннигилируют), и появляются фотоны. Сами тяжелые частицы, Х-бозоны и их античастицы, рождаются из особого состояния материи – физического вакуума, в котором они имеются в скрытом, «виртуальном», состоянии. Тяжелые частицы и античастицы аннигилируют, и в результате появляются протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и античастицы.
В первые пять минут после Большого Взрыва практически произошли все события, определившие те свойства Вселенной, которые она имеет сегодня. Решающую роль здесь играли протоны и нейтроны, которые, взаимодействуя с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, превращаются друг в друга. Температура в результате расширения уменьшается. При этом протонов становится больше, т.к. их масса меньше массы нейтронов и их образование энергетически выгоднее. Процесс создания избытка протонов прекращается из-за понижения температуры до того, как все нейтроны будут превращены в протоны. При падении температуры до одного миллиарда градусов, начинают образовываться простейшие ядра. Заметим, что в первые мгновения после Большого Взрыва фотонов было много (на один протон приходился миллиард фотонов). С течением времени это соотношение остается постоянным, но энергия фотонов становится меньше. Это происходит в результате эффекта Доплера, т.к. частота фотонов, а значит, и их энергия , уменьшается. Итак, нейтроны захватываются протонами, и происходит образование дейтерия. Реакция продолжается и образуются ядра гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Одновременно образуется немного лития и изотопа гелия-3. К концу 5-ой минуты после Большого Взрыва расширяющееся вещество состоит из ядер водорода – 70% и ядер гелия – 30% .
Температура становится меньше миллиарда градусов, Вселенная перестает быть горячей, наступает следующий этап расширения Вселенной, который длится порядка триста тысяч лет. Вещество Вселенной в это время представляет собой плазму, которая является непрозрачной для фотонов. При температуре в 4 тысячи градусов начинается образование нейтральных атомов. Появляются нейтральный водород и гелий. Вещество становится прозрачным для фотонов. Нейтральное вещество начинает собираться в некоторые образования, «комки». С этого момента начинает происходить образование галактик.
Следствием концепции первоначально горячей Вселенной является вывод о том, что от ранней эпохи расширения должно сохраниться остаточное излучение в радиодиапазоне (реликтовое излучение). Реликтовое излучение было открыто в 1965 году американскими радиоинженерами А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Обнаружение реликтового излучения сделало достоверным тот факт, что Вселенная действительно эволюционирует.
4. Строение и происхождение галактик
Галактики представляют собой гигантские скопления звезд, связанных между собой силами гравитации. Галактики содержат от нескольких миллионов до многих сотен миллиардов звезд. Наряду со звездами в состав галактик входят межзвездный газ, межзвездная пыль, космические лучи.
Первую удачную классификацию галактик по их внешнему виду предпринял Э. Хаббл в 1925 году. Он предложил относить галактики к одному из следующих трех типов: 1) эллиптические, 2) спиральные и 3) неправильные. К эллиптическим были отнесены те галактики, которые имеют вид правильных кругов или эллипсов (шаровая или эллипсоидальная форма) и яркость которых плавно уменьшается от центра к периферии. Плотность звезд в единице объема увеличивается к центру и плавно спадает от центра к краю. В большинстве эллиптических галактик очень мало газа – менее 0,1 % всей массы. Для спиральных галактик характерно наличие двух (иногда и больше) спиральных рукавов, образующих плоскую систему – «диск». Кроме диска в спиральных галактиках имеется сферическая составляющая, которая образуется объектами, располагающимися примерно сферически-симметрично вокруг центра галактики. В спиральных рукавах сосредоточено много молодых ярких звезд и светящихся газовых облаков. Количество газа в спиральных галактиках меняется от одного до пятнадцати процентов от общей массы. К неправильным галактикам отнесены объекты, у которых отсутствует четко выраженное ядро и не обнаружена вращательная симметрия. Количество газа в неправильных галактиках может доходить до 50% общей массы. Предполагается, что эллиптические галактики составляют 17%, спиральные- 80 % и неправильные- 3% от общего числа.
В последние десятилетия обнаружены звездные системы, которые не укладываются в данную классификацию. Эти галактики получили название «пекулярных». К их числу относятся, например, «компактные» галактики, обладающие высокой поверхностной яркостью, а также карликовые звездные системы с низкой светимостью.
Вопрос об образовании галактик относится к одному из сложнейших вопросов современной астрофизики. К настоящему времени имеются несколько различных моделей образования галактик. Так Я.Б. Зельдовичем была предложена конденсационная модель образования галактик в результате сжатия (конденсации) газовых сгустков (теория адиабатических возмущений). Согласно этой теории в однородной и изотропной расширяющейся Вселенной возникают бесконечно малые адиабатические возмущения (неоднородности плотности вещества), которые в процессе расширения Вселенной усиливаются. Нарастание неоднородностей приводит к образованию мощных ударных волн, сжимающих газ в плотные газовые облака с массой 1013-1015 масс Солнца. Позже эти облака в результате охлаждения и гравитационной неустойчивости распадаются на отдельные сгустки. Локальное увеличение плотности вещества оказывается стабильным, если плотность достаточно велика, т.к. в этом случае создается локальное гравитационное поле, способствующее сохранению вещества в сжатом виде. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращается в современные галактики.
5 Эволюция звезд
Все небесные тела можно разбить на две группы: 1) испускающие энергию – звезды и 2) не испускающие энергию – планеты, кометы, метеориты, космическая пыль.
Звезды – это гигантские раскаленные, самосветящиеся шары. По своим характеристикам звезды очень многообразны.
В числе первых характеристик звезды следует указать на ее звездную величину. Уже во втором веке до н. э. александрийский астроном Гиппарх составил каталог более чем из 1000 звезд. Все звезды Гиппарх разделил на шесть групп по их блеску. Звезды с наибольшим блеском он назвал звездами первой величины, звезды с несколько меньшим блеском – звездами второй величины и т.д. Чем слабее светится звезда, тем больше число, обозначающее ее звездную величину. Гиппарх считал, что звезды находятся от нас на одинаковом расстоянии и различие в их блеске зависит от размеров звезд. Но, на самом деле, звезды расположены от нас на различных расстояниях. Поэтому звезда, имеющая большие размеры, но находящаяся на огромном расстоянии может иметь звездную величину больше, чем звезда, имеющая малые размеры и находящаяся на меньшем расстоянии. Следовательно, к действительным размерам, как и светимости (см. ниже), звездная величина не имеет прямого отношения.
Светимость звезды – величина, принятая в астрономии для выражения мощности излучения звезды в сравнении с излучением Солнца. Если светимость звезды равна 2, то это означает, что она в действительности в 2 раза ярче Солнца, а если ее светимость 0,5, то она в 2 раза слабее Солнца.
Звезды различаются и по своему цвету: от голубого до красного. Установлено, что цвет звезды соответствует температуре ее поверхности. Самые горячие звезды имеют голубоватый цвет, температура их поверхности составляет десятки тысяч градусов. У белых звезд температура около 10000 К, у желтых (в том числе нашего Солнца) – 6000 К, у красных – 3000 К. В направлении к центру звезд температура растет и в центре достигает миллионов градусов. Здесь в центре звезды генерируется энергия, излучаемая звездами в результате протекания термоядерных реакций. Главную роль здесь играет превращения водорода в гелий в результате реакций протон-протонного и углеродно-азотного циклов.
Как и светимости звезд, так и их размеры весьма разнообразны. Существуют звезды гиганты и сверхгиганты, радиусы которых в тысячи и десятки тысяч раз превосходят радиус Солнца. Радиусы звезд – карликов в десятки и сотни тысяч раз меньше солнечного, а у нейтронных звезд – в сотни тысяч раз.
Меньший разброс наблюдается в массах звезд. Так две наиболее массивные звезды, образующие двойную систему, звезда Пласкетта, имеют каждая в 50 раз большую массу, чем масса Солнца, а наименьшую массу имеет спутник звезды  Эридана (0,006 массы Солнца).
Звезды различаются друг от друга и по своему спектру. В настоящее время принята Гарвардская классификация звезд по их спектрам. При этом звезды классифицируют по их принадлежности к одному из классов спектральной последовательности: O, B, A, F, G, K, M. На основе спектрального анализа удается исследовать химический состав звезд. У большинства звезд химический состав оказывается примерно одинаковым. В основном это водород и гелий. Доля других химических элементов очень мала.
В 1905-1918 годах Э. Герцшпрунгом (Дания) и Г.Н. Ресселом (США) была установлена связь между спектральными классами и светимостями звезд (диаграмма Герцшпрунга-Рессела). На этой диаграмме по оси абсцисс откладываются спектральные классы звезд, по оси ординат – светимости звезд. Большинство звезд из окрестности Солнца на диаграмме образуют главную последовательность в виде узкой полосы, протянувшейся от левого верхнего угла диаграммы вправо вниз.
Рассмотрим основные этапы эволюции звезд. Процесс формирования звезд типа Солнца был сформулирован в 1980 году С. Шталлером, Ф. Шу и Р. Таамом. Он выглядит так. Первичное газопылевое облако, из которого формируется звезда, имеет начальную температуру 50 К, плотность – 10-20 г/см3 и прозрачно для излучения. В процессе сжатия облака происходит быстрое увеличение плотности и температуры в его центральной области, и образуется ядро протозвезды. Постепенно масса ядра в нем увеличивается и через 20000 лет от начала сжатия температура превышает 106 К. При этом в ядре начинается процесс «выгорания» дейтерия и превращения его в гелий. После «выгорания» дейтерия во внешних слоях ядра звезды начинается медленный процесс ее гравитационного сжатия. Температура звезды практически остается неизменной, а ее радиус уменьшается. Процесс длится около 9 млн. лет. Далее происходит горение изотопов лития, бериллия, бора, температура достигает порядка 14 • 106 К и начинаются реакции превращения водорода в гелий. Перестройка звезды продолжается примерно 40 млн. лет и только потом она выходит на главную последовательность.
В 1942 году М. Шенберг и С. Чандрасекар (США) показали, что на главной последовательности звезда находится до тех пор, пока в центре звезды не образуется гелиевое ядро с массой примерно 10-20% от общей массы звезды. Для Солнца время пребывания на главной последовательности составляет около десяти миллиардов лет, а для звезды с массой в десять раз больше – 10 млн. лет.
Дальнейшая эволюция звезды существенно зависит от ее массы. Так если масса звезды составляет 1 – 1,5 массы Солнца, то при достижении предела Шенберга-Чандрасекара (времени пребывания на главной последовательности) ядро звезды за время меньше миллиона лет сжимается, а оболочка звезды расширяется. Звезда превращается в красного гиганта. Затем на протяжении нескольких десятков тысяч лет оболочка ядра (планетарная туманность) плавно расширяется. На месте звезды (ядра) остается белый карлик. Белые карлики имеют массу приблизительно равную массе Солнца, а размеры, равные примерно размерам Земли.
Если масса звезды составляет 1,5 - 10 масс Солнца, то конечным этапом ее эволюции будет превращение в нейтронную звезду. Вещество звезды состоит в основном из нейтронов. Остальные элементарные частицы представляют собой просто примеси в пренебрежимо малых количествах. Радиусы нейтронных звезд составляют порядка 10 км., а плотность вещества звезды достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре.
В том случае, если масса звезды существенно превышает массу Солнца (больше чем в 10 раз), ее завершающем этапом эволюции будет превращение в черную дыру. В этом случае при сжатии звезды (с сохранением ее массы) радиус звезды уменьшается, а сила тяготения быстро увеличивается. Из ОТО А. Эйнштейна следует, что сила гравитационного притяжения становится бесконечно большой еще до того, как радиус звезды уменьшится до нуля (гравитационный радиус). Границей черной дыры является сфера с гравитационным радиусом (горизонт). Для того чтобы преодолеть силу гравитационного притяжения и оторваться от черной дыры, надо развить скорость, превосходящую скорость света. Поэтому черная дыра ничего не выпускает наружу, при этом втягивает в себя окружающее вещество, увеличивая свои размеры. В настоящее время ведется активный поиск черных дыр во Вселенной. Видимо наиболее продуктивным является поиск черных дыр в двойных звездных системах по обнаружению рентгеновского излучения, которое должно возникать при падении газа из атмосферы звезды на поверхность черной дыры.
6. Состав и строение Солнечной системы
Солнечная система представляет собой группу небесных тел, объединенных в единую систему благодаря гравитационному взаимодействию, с центральным телом – Солнце. Кроме Солнца в состав Солнечной системы входят: девять больших планет, спутники планет, астероиды – малые планеты, кометы, метеориты и др.
Солнце представляет собой плазменный шар. Диаметр его составляет 1 392 000 км., что в 109 раз превосходит диаметр Земли. Средняя плотность Солнца 1,4 • 103 кг/м3. Температура на поверхности Солнца порядка 6000 градусов, а в его центральной части достигает 15 млн. градусов. Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли. Наблюдения за поверхностью Солнца показывают, что оно вращается вокруг своей оси и полный оборот делает за 25,4 земных суток. Среднее расстояние от Земли до Солнца – 149,5 млн. км. (одна астрономическая единица). Солнце вместе с Землей и всей Солнечной системой движется в мировом пространстве в направлении к созвездию Лиры со скоростью 20 км/с.
Планеты (от греч. planetos – блуждающие) небесные тела, обращающиеся вокруг звезды (Солнца). Они, в отличие от звезд, не излучают света, а светят отраженным солнечным светом. Форма планет близка к шарообразной. Восемь планет Солнечной системы подразделяются на две группы: 1) земная группа планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и 2) юпитерная группа планет – планеты гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Плохо изученная девятая планета Плутон не относится ни к одной из групп.
Сравнивая между собой две группы планет, можно сказать, что планеты земной группы характеризуются меньшей массой, меньшими размерами, большой плотностью и сравнительно малой скоростью обращения вокруг Солнца. Ни одна из планет земной группы не имеет развитой системы спутников в отличие от планет группы Юпитера. Спутником Земли является Луна; Фобос и Деймос – спутники Марса. Земля является единственной планетой земной группы, обладающей сильным собственным магнитным полем. Три планеты земной группы (Венера, Земля, Марс) обладают атмосферой. У Марса она сохранилась в очень разреженном состоянии, а у Меркурия полностью отсутствует. Только Земля обладает мощной гидросферой, которая сформировалась одновременно с Землей. Следует заметить, что планета Венера имеет обратное вращение, т.е. ее вращение противоположно направлению вращения Солнца вокруг своей оси.
Из особенностей планет юпитерной группы следует отметить их сравнительно большие размеры, малую плотность, хорошо развитую систему спутников. Так у Юпитера имеется 14 спутников, у Сатурна – 10. Плоские светящиеся кольца вокруг Сатурна состоят из множества мелких частиц. Особенностью планеты Уран является характер его вращения: он движется как бы «лежа на боку», плоскость его экватора перпендикулярна к плоскости орбиты.
Малые планеты Солнечной системы – астероиды, отличаются от больших планет своими малыми размерами и неправильной формой. Самый крупный из астероидов – Церера – в поперечнике имеет 768 км. Большинство астероидов находятся в области между орбитами Марса и Юпитера, образуя пояс астероидов. Имеются предположения о том, что между Марсом и Юпитером существовала еще одна планета Солнечной системы (Фаэтон). Астероиды, согласно этой гипотезе, являются остатками Фаэтона, взорвавшегося сотни миллионов лет назад. Кометы – небесные тела с малой массой, движущиеся вокруг Солнца по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. В комете выделяют твердое ядро, его разряженное окружение и хвост, состоящий из газов и пыли. Ядро кометы представляет собой глыбу льда с мельчайшими металлическими частицами. При приближении к Солнцу под действием солнечного тепла происходит разложение ядра с образованием его окружения и хвоста кометы, который направлен в сторону противоположную Солнцу. Метеориты – небесные тела, имеющие размеры 5 – 10 км. При попадании в атмосферу Земли они разогреваются и проявляются в виде метеоров.
7 Строение и движение Земли
Радиус Земли составляет 6,38 • 106 м., ее масса 5,98 • 1024 кг, плотность 5,5 • 103 кг/м3. Скорость обращения Земли вокруг Солнца примерно 30 км/с.
Земля третья от Солнца планета Солнечной системы. Она имеет форму близкую к шарообразной (форму геоида). Под действием центробежной силы, возникающей вследствие вращения Земли вокруг ее оси, Земля оказывается сплюснутой у полюсов.
Земля состоит из литосферы (земная кора), протяженность вглубь которой 10 – 80 км., мантии и ядра. Самые верхние оболочки Земли – гидросфера и атмосфера.
Земная кора в основном слагается из восьми химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий.
Ядро занимает центральную область земного шара и имеет радиус около 3470 км. Ядро разделяется на две части: внутреннюю и внешнюю. Внутреннее ядро находится в твердом состоянии, внешнее ядро – в жидкой фазе. Ядро состоит из железа с примесью легких элементов или его оксидов в металлическом состоянии.
Ядро окружено мантией, состоящей из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. Мантия является подвижной сферой Земли с сосредоточением в ней расплавленного вещества. С мантией и ее подвижностью связаны земной магнетизм, движение литосферных плит, извержения вулканов и др.
Атмосфера Земли в основном состоит из азота (78 %), кислорода (21 %) и других газов. Она разделяется на тропосферу (до 9 – 15 км.), стратосферу (до 55 км.), ионосферу, которая состоит из ионизированных под действием Солнца частиц.
Гидросфера – водная оболочка, включающая в себя моря и океаны, подземные воды, ледники и постоянные снега, поверхностные воды суши (реки, озера, болота, искусственные водоемы). Некоторое количество воды содержится в атмосфере и в живых организмах.
Земля вращается вокруг одного из своих диаметров – земной оси, которая пересекается с ее поверхностью в двух диаметрально противоположных точках – северном и южном географических полюсах. Один оборот вокруг своей оси Земля совершает за 23 ч 56 мин 4 с; этот промежуток времени называется звездными сутками.
Один оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365 дней 6 ч 9 мин 9 с. Этот период носит название звездного года. Орбита Земли представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. На протяжении года расстояние от Солнца до Земли периодически меняется (147,1 млн. км. в начале января и 152,1 млн. км. в начале июля). Ближайшая к Солнцу точка земной орбиты называется перигелием, а самая далекая – афелием. Ось вращения Земли образует с плоскостью земной орбиты угол в 23о27/.
К этим двум видам движения следует добавить еще три. Первое: обращение Земли вокруг общего центра с Луной центра масс. Масса Луны сравнима с массой Земли и Земля с Луной практически образуют двойную систему. Один оборот система Земля – Луна вокруг общего центра масс совершает за 27 суток и 8 часов. Второе: движение вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики. Один оборот, который делает Земля вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики, называется галактическим годом. Он равен 280 млн. лет. Третье: разбегание галактик во Вселенной.
То обстоятельство, что ось Земли наклонена к плоскости орбиты и при обращении Земли вокруг Солнца попеременно больше обращены к Солнцу то Южное, то Северное полушария, приводит к смене времен года. Смена дня и ночи является следствием вращения Земли вокруг собственной оси. Обращение Земли и Луны вокруг общего центра масс и суточное вращение Земли вокруг собственной оси приводят к периодическим подъемам уровня моря и сменяющих их понижениям – приливам и отливам.
8 Проблемы происхождения и эволюции Солнечной системы и Земли
Существует несколько различных гипотез о происхождении Солнечной системы и планеты Земля. Пожалуй здесь следует начать с гипотезы французского естествоиспытателя Жоржа Бюффона (1707 – 1788). В своей книге «Естественная история» он высказал идею, что Земля и другие планеты образовались из осколков, оторвавшихся от Солнца при его катастрофическом столкновении с кометой. Гипотеза Бюффона не подтверждалась ни фактами, ни расчетами и была чисто умозрительной. Так Бюффон, например, не имел каких – либо представлений о массах комет, которые очень малы.
Более подробно и шире проблема образования и развития Солнечной системы была рассмотрена в работе Иммануила Канта «Общая естественная история и теория неба» (1755) и в работе Пьера Лапласа «Изложение системы мира» (1796).
Согласно гипотезе Канта вначале мир находился в самом примитивном состоянии; все было равномерно заполнено неподвижными и твердыми частицами. Частицы первичного хаоса неподвижны, но уже в первые мгновения под действием сил тяготения у него появляется стремление к формированию. Более массивные частицы притягивают менее массивные, вследствие чего образуются отдельные сгустки материи. Вследствие столкновения частиц происходит постепенное образование звездных и планетных систем. Недостатком гипотезы Канта можно считать то, что введенные им силы отталкивания (взаимное расталкивание молекул при их соударениях) не могли породить кругового движения. Для появления такого кругового движения в первоначальной туманности уже должно было существовать вращение.
В своей работе «Изложение системы мира» П.Лаплас перечисляет пять основных особенностей Солнечной системы, которые должна объяснить теория. К ним относятся:
1) планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и приблизительно в одной плоскости;
2) спутники движутся вокруг своих планет в том же направлении, что и планеты вокруг Солнца;
3) вращение всех планет и Солнца вокруг своих осей происходит в ту же сторону, и плоскости их экваторов имеют слабый наклон к плоскостям их орбит;
4) эксцентриситеты орбит планет и спутников очень малы;
5) орбиты комет, наоборот, имеют большие эксцентриситеты и любые углы наклона к плоскости эклиптики.
Согласно гипотезе Лапласа, раньше на месте Солнечной системы была сильно разогретая туманность, которая медленно вращалась вокруг оси, проходящей через ее центр. Вследствие охлаждения туманность сжималась, а ее угловая скорость вращения увеличивалась. Центробежная сила, действующая на частицы, имела наибольшее значение в экваториальной плоскости. Когда центробежная сила превышала силу тяготения, то вещество отрывалось от туманности, продолжая вращаться в том же направлении и образуя кольца вещества. Затем каждое из колец распадается, образуя сгустки вещества, которые впоследствии образуют планеты.
Гипотеза Лапласа позволила объяснить ряд закономерностей в Солнечной системе, но имела и целый ряд принципиальных недостатков, которые не позволили войти ей в ряд допустимых гипотез. Так, еще при жизни Лапласа, было установлено, что Венера вращается в обратную сторону, спутник Марса Фобос делает один оборот вокруг планеты втрое быстрее, чем сама планета вокруг своей оси, Уран вращается в обратную сторону «лежа на боку» и др. Но самое главное состояло в том, что гипотеза Лапласа не могла объяснить распределение момента импульса в Солнечной системе, т.е. ответить на вопрос: «Почему планеты, масса которых около 0,15 % массы Солнца, имеют 98 % момента импульса?», или другими словами: «Почему Солнце вращается слишком медленно?».
В 1900 году вышла статья двух американских ученых: астронома Фореста Рея Мультона (1872 – 1952) и геолога Томаса Кроудера Чемберлина (1843 – 1928), где были отмечены недостатки гипотезы Лапласа, в частности, несоответствие в распределении момента импульса. В 1905 году ими была предложена новая гипотеза, в основе которой лежит предположение о том, что момент импульса планет был принесен извне, например, из-за сближения Солнца с какой – либо другой звездой. Недостатком этой гипотезы явилось то, что она не позволила объяснить происхождение спутников планет, ориентацию их орбит в пространстве и ряд других особенностей Солнечной системы. В дальнейшем эта гипотеза была несколько переработана английским астрономом и геофизиком Хэролдом Джеффрисом (род. в 1891), американским астрофизиком Генри Норрисом Ресселом (1877 – 1957) и др. Так, Рессел писал: «…перед встречей Солнце было двойной звездой и имело спутника значительно меньше себя, который вращался вокруг него на расстоянии, сравнимом с расстоянием до больших планет. Столкновение с проходящей звездой (или, может быть, тесное сближение) разбило этот спутник на осколки, которые развились в теперешние планеты».
В отличие от гипотез И. Канта и П. Лапласа эти гипотезы носили катастрофический характер. Сами гипотезы Канта и Лапласа принадлежат к числу небулярных гипотез, т.е. исходят из создания естественной, постепенно развертывающейся во времени и пространстве картины образования Солнечной системы. К числу современных небулярных гипотез происхождения Солнечной системы принадлежит гипотеза советского математика, геофизика и астронома Отто Юльевича Шмидта (1891 – 1956), согласно которой образование планет Солнечной системы происходит из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце. В настоящее время разрабатываются небулярные гипотезы происхождения планетной системы с учетом влияния магнитных полей (это делалось еще в 1946 году шведскими астрономами Альвеном и Аррениусом), конвективно-турбулентных движений вещества протопланетного облака и др.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сформулируйте закон Всемирного тяготения.
2. Охарактеризуйте взгляд Ньютона на пространство и время.
3. Что представляет собой Вселенная по Ньютону.
4. Охарактеризуйте взгляды Эйнштейна на пространство и время.
5. В чем заключается закон Хаббла.
6. Что происходит со Вселенной согласно модели расширяющейся Вселенной.
7. Охарактеризуйте модель горячей Вселенной.
8. Как классифицируются галактики по внешнему виду.
9. Что входит в состав галактик?
10. Что такое звезды и какие характеристики звезд Вам известны?
11. Дайте понятие красному гиганту, нейтронной звезде.
12. Что такое черная дыра?
13. Какие планеты входят в состав планет земной группы?
14. Перечислите планеты гиганты.
15. Расскажите о строении Земли.
16. Что такое перигелий, афелий?
17. В каких движениях участвует планета Земля?
18. Какие гипотезы происхождения солнечной системы Вам известны?
ТЕСТ

7.1. Когда советским математиком А. Фридманом была предложена стандартная модель расширяющейся Вселенной:
а) 20-е годы ХХ века
б) 30-е годы ХХ века
в) 40-е годы ХХ века

7.2. Явление «разбегания» галактик было обнаружено:
а) А. Эйнштейном
б) Э. Хабблом
в) А. Фридманом

7.3. Стандартная классификация галактик в 1925 г. была предложена:
а) Э. Хабблом
б) Я.Б. Зельдовичем
в) Э. Гершпрунгом

7.4. Какой величиной определяется эволюция звезды:
а) светимостью
б) размером
в) массой


































































Дмитриева Валентина Феофановна,
Михайлов Михаил Анатольевич, Икренникова Юлия Борисовна
Концепции современного естествознания
Учебно-практическое пособие


Подписано к печати:
Тираж:
Заказ №