Научное познание: динамика и структура развития

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Психолого-педагогический факультет

«НАУЧНОЕ ПОЗНАНИЕ: ДИНАМИКА И СТРУКТУРА РАЗВИТИЯ»

Горно-Алтайск 2018



Аннотация

В последние годы возрос интерес к так называемым псевдонаучным знаниям. Мракобесие и лженаука выступают широким фронтом, заслоняя собой подлинно научные знания. Поэтому данная работа посвящена изучению этапов формирования, динамики и структуры научного познания на примере развития космологии - науки об эволюции Вселенной.

В работе рассматриваются закономерности развития научных знаний, проведен структурный анализ возникновения и развития научных теорий в соответствии с основными формами научного познания. Автором доказывается, что космологические теории является примером истинно научного знания, приведены примеры, показывающие, что: а) наблюдения и эксперимент являются основой для выдвижения гипотез и теорий, позволяют проверить истинность теоретических выводов; б) физическая теория дает возможность объяснять известные явления природы и научные факты, предсказывать еще неизвестные явления.



Введение

Цель: изучить этапы формирования, динамику и структуру научного познания на примере развития космологии - науки об эволюции Вселенной.

Задачи: 1) изучить закономерности развития научных знаний;

2) исследовать динамику развития научного знания;

3) провести структурный анализ возникновения и развития научных теорий в соответствии с основными формами научного познания;

4) представить доказательства того, что космологические теории является примером истинно научного знания;

5) привести примеры, показывающие, что: а) наблюдения и эксперимент являются основой для выдвижения гипотез и теорий, позволяют проверить истинность теоретических выводов; б) физическая теория дает возможность объяснять известные явления природы и научные факты, предсказывать еще неизвестные явления.

Актуальность выбранной темы: Интерес к многообразию форм вненаучного знания в последние годы повсеместно и значительно возрос, а престиж профессии инженера и ученого значительно снизился, поэтому напряжение, связанное с тенденцией ухода во вненауку, возросло.

Большое распространения в последние годы получила так называемая народная наука, которая в настоящее время стала делом отдельных групп или отдельных субъектов: знахарей, целителей, экстрасенсов, а ранее являлась привилегией шаманов, жрецов, старейшин рода.

Усиленно предлагаются широкой публике паранормальные знания, включающие в себя учения о тайных природных и психических силах и отношениях, скрывающихся за обычными явлениями. Самыми яркими представителями этого типа знания считаются мистика и спиритизм. Мракобесие и лженаука выступают широким фронтом, заслоняя собой подлинно научные знания. Поэтому так важно в настоящее время уметь отличать и разграничивать научные знания от псевдонаучных, уметь противостоять представителям лженауки.



1. Литературный обзор

1.1 Необходимые компоненты науки

Наука - это исторически сложившийся вид человеческой деятельности, направленный на познание и преобразование объективной действительности.

С точки зрения взаимодействия субъекта и объекта научного познания, наука включает в себя четыре необходимых компонента в их единстве.

Субъект науки - ключевой элемент научного познания - отдельный исследователь или научное сообщество, коллектив, в конечном счете - общество в целом.

Объект науки - предметная область научного познания, то, что именно изучает данная наука или научная дисциплина, все то, на что направлена мысль исследователя.

Предмет науки в широком смысле - это некоторая ограниченная целостность, выделенная из мира объектов в процессе человеческой деятельности, либо конкретный объект, вещь в совокупности своих сторон, свойств и отношений.

Язык науки - специфическая знаковая система - как естественный язык, так и искусственный (знаки, символы, математические уравнения, химические формулы и т.п.).

Прежде всего в структуре научного познания выделяются эмпирический и теоретический уровни. Они отличаются глубиной, полнотой, всесторонностью постижения объекта; целями, методами достижения и способами выражения знаний; степени значимости чувственного и рационального момента.



1.2 Формы научного познания

В научном познании формируются и приобретают относительную самостоятельность такие формы:

Факт > Проблема > Гипотеза >Доказательство гипотезы >Теория

Факт (от лат factum - что сделано) -это событие, явление, процесс, которые имеют место в объективной действительности и являются объектом исследования. Эта основа - первостепенное предпосылка успеха в научной работе. После получения фактического материала начинается вторая фаза исследования.

Проблема - эта форма возникает как намерение объяснить факт. Проблема (от греч problema - задача) - это вопрос или комплекс вопросов, возникающих в процессе развития познания и решение которых имеет существенный практический или теоретический интерес. Формулировка проблемы опирается на процесс и результат эмпирического исследования и вместе с тем стимулирует дальнейшее исследование, направляет его.

Гипотеза. Из формулировки гипотезы начинается движение проблемы Гипотеза (от греч hypothesis - основа, предположение) - это разновидность догадки, предположения более или менее обоснованное, но еще не подтверждено не доказано полностью Гипотеза является формой развития научного познания, средством перехода от неизвестного к известному, от неопределенного к знанию более полному и точному.

Доказательство гипотезы. Это следующая необходимая стадия исследования и форма, в которой существует знания. Суть доказательства заключается в установлении истины, подтверждении или опровержении сформулированных положений теоретическими аргументами посредством сравнения, индукции, дедукции, аналогии.

Теория. Она является самой развитой формой научного познания Теория - это система обобщенного знания, основных научных идей, законов и принципов, которые отражают определенную часть окружающего мира, а т также материальную и духовную деятельность людей Теория в отличие от гипотезы является знанием достоверным, истинность которой доказана и проверена практикой. Она позволяет понять объект познания в его внутренних связях и целостности, объясняет разнообразие имеющихся фактов и может предсказать новые, еще неизвестные, прогнозируя поведение систем в будущем.

Первоначально, как правило, создаются описательные (феноменологические) теории, дающие лишь систематическое описание и классификацию исследуемых объектов.

С развитием научного познания теории феноменологического типа уступают место нефеноменологическим (объяснительным) теориям. Они раскрывают глубинный внутренний механизм изучаемых явлений и процессов. их законы. Но это уже не эмпирические, а теоретические законы. Такие теории говорят о зрелости науки.

1.3 Закономерности научных знаний

Для научного познания характерна тенденция к постоянному развитию. Наука не претендует на абсолютную истину, но стремится приближаться к истине. Этим она отличается от мифологии, религии, эзотерики. Динамика науки обусловлена общественной практикой и ее потребностями, но вместе с тем наука обладает относительной самостоятельностью и внутренней логикой своего развития. Она развивается и по своим собственным закономерностям: 1. Преемственность в развитии научных знаний. 2. Единство количественных и качественных изменений в развитии науки. 3. Дифференциация и интеграция наук. 4. Взаимодействие наук и их методов. 5. Углубление и расширение процессов математизации и компьютеризации. 6. Теоретизация и диалектизация науки. 7. Ускоренное развитие науки. 8. Свобода критики, недопустимость монополизации и догматизма.



2. Основная часть

Рассмотрим динамику развития, структуру и этапы научного развития на примере развития космологии, объектом изучения которой является Метагалактика, основным предметом исследования ученых является изучение структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной.

Космология как наука об эволюции Вселенной - очень молодая наука. Несмотря на то, что космологические настроения явились ядром многих учений, начиная с древности, они все были лишь предысторией научной космологии.

Исследуем структуру основных форм научного познания на основе возникновения космологических теорий в хронологическом порядке, проследим возникающие между ними взаимосвязи по предложенной выше схеме:

Факт > Проблема > Гипотеза >Доказательство гипотезы >Теория.

В связи с этим можно выделить 6 этапов развития космологических теорий:

2.1 1 этап. Классическая космология

Причиной и стимулом раннего интереса к небесным явлениям была, прежде всего, необходимость ориентироваться во времени и в пространстве. Не менее сильным стимулом зарождения интереса к небу должна была стать и рано осознанная связь человека с окружающим миром, зависимость его от грозных и благоприятных явлений природы, прежде всего от солнечного тепла, от устрашавших гроз и «небесного» огня -- молнии, а то и от падающих с неба камней, и т.п.

Накопление фактов

Переломным этапом в истории астрономии стала эпоха Возрождения. Она привела к великим географическим открытиям, главным из которых стало открытие «Нового Света» на противоположной стороне Земного шара. Первые кругосветные плавания принесли неопровержимые доказательства изолированности Земли в пространстве.

Проблема.

Господствовавшая в то время теория строения Вселенной Птолемея была громоздкой и не согласованной в своих частях, объяснения движения небесных тел были чересчур сложными. К тому же некоторые физические следствия теории Птолемея не соответствовали действительности. В эпоху кругосветных путешествий возникла необходимость более точных астрономических таблиц для определения долготы на море методом «лунных расстояний.

Гипотеза Коперника

Коперник изложил математическую теорию сложных видимых движений Солнца, Луны, пяти планет и сферы звезд, с приложением соответствующих математических таблиц и звездного каталога. Но в центре мира (то есть всей Вселенной!) он поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты и среди них Земля. В этой картине, как и в прежней, сфера «неподвижных» звезд помещалась на огромном, почти бесконечном расстоянии от всей системы планет.

Доказательство гипотезы Коперника

Неоценимую роль в укреплении гелиоцентризма сыграл великий итальянский физик-механик, инженер и астроном Галилео Галилей (1564--1642). С изобретением телескопа (1609), который он самостоятельно сконструировал и использовал для изучения небесных объектов, первые же его наблюдения (1610) стали вскрывать новые и новые признаки истинности коперниканской гелиоцентрической теории устройства нашего планетного мира. После его открытий спутников у Юпитера, гор на Луне, фаз у Венеры римская инквизиция принудила 69-летнего Галилея к публичному отречению от своих взглядов и обрекла блестящего итальянского физика и астронома на домашний арест. Но революционное преобразование в естествознании, начавшееся под воздействием гелиоцентрической системы мира исследование реальной Вселенной, остановить было невозможно.

Накопление фактов

Тихо Браге является основоположником точной наблюдательной астрономии. Большим вкладом в астрономию явился составленный Браге первый оригинальный каталог звезд, включавший традиционное их число -- 1000, причем координаты 800 из них были измерены им заново и с высокой точностью -- до 1'.

Но наиболее важными для последующего развития астрономии оказались систематические и весьма точные измерения положений Марса, проводившиеся непрерывно в течение 16 лет, то есть на протяжении восьми полных периодов обращения планеты!

Проблема

Все существовавшие тогда планетные таблицы -- и гео- и гелиоцентрические обнаружили свою несостоятельность в отношении точности предсказаний. Это относилось, прежде всего, к Марсу.

Теория Кеплера

«Революционный переворот в небесной механике совершил в начале XVII в. великий немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571--1630), открывший три основных закона истинного движения планет. Пять лет отняла у Кеплера трудоемкая математическая обработка огромного материала наблюдений за движением Марса (оставленного ему Тихо Браге). Это окончательно убедило его в том, что движением планет управляет Солнце.

Проблема

Наиболее актуальной проблемой астрономии рассматриваемой эпохи становилось объяснение физических причин существования самой Солнечной системы и движения небесных тел в ней, которое подчинялось загадочным, точным, но все еще не объясненным эмпирическим правилам Кеплера. Эта проблема была решена Ньютоном.

Теория устройства Вселенной по Ньютону (гравитационная физическая картина мира)

Первый его вывод -- гравитирующая Вселенная должна быть бесконечной, об этом говорит уже наличие множества звезд.

Второй вывод, по проблемам космогонии, -- Ньютон считал невозможным создать все качественное разнообразие из механических движений бескачественных частиц.

Сформировавшись на основе механики Ньютона, физическая картина мира в своих деталях и нюансах отличалась от воззрений ее основателя, утеряв свойственные подлинно научному подходу сомнения, незавершенность знаний.

Классическая физическая картина мира (ньютонианская гравитационно-механическая, дополненная к концу XIX в. идеями и открытиями электродинамики Максвелла--Лоренца) опиралась на представление о независимости друг от друга, иначе абсолютности таких сущностей, как пространство, время, материя. Пространство представлялось евклидовым -- плоским, трехмерным, бесконечным, существующим и без материи (как абсолютная пустота). Время в общем смысле -- как некая абсолютная длительность, существующая вне связи с материей (хотя принималось во внимание и физическое время как мера физических процессов). Материя мыслилась дискретной -- состоящей из нейтральных атомов с электромагнитной основой (то есть в свою очередь построенных из электрически заряженных частиц -- электронов и некой положительно заряженной основы атома). Абсолютными и универсальными считались и физические законы, а именно -- открытые на Земле, они распространялись на всю мыслимую материальную Вселенную.



2.2 2 этап. Статическая модель Вселенной

Накопление фактов

С началом телескопической астрономии связано много новых открытий в астрономии:

1. Открытия в Солнечной системе.

Первыми стало открытие солнечных пятен и др. деталей на поверхности Солнца; открытие и измерение периода вращения Солнца (И. Фабрициус, 1611). Произошло и открытие Зодиакального света. Были сделаны новые оценки солнечного параллакса.

2. Обнаружение и измерение первых звездных параллаксов. Получены многочисленные сведения о мире звезд и первые оценки межзвездных расстояний.

Открытие «туманностей», открытие собственных движений у звезд (Галлей, 1718). Наиболее впечатляющим событием в мире туманностей стало в XIX в. открытие Парсонсом совершенно неожиданной черты в их строении: спиральной структуры.

Рубеж XVIII--XIX вв. ознаменовался рождением новой комплексной науки, получившей значительно позднее имя -- метеоритика (Э.Хладни 1794)-окончательно была доказана космическая природа метеоритов.

Каптейн, исследуя движение звезд в окрестности Солнца, в 1904 г. открыл свои знаменитые два звездных «потока- распределение скоростей собственных движений звезд не укладывалось в максвеллову симметричную кривую, а показывало два преимущественных направления (противоположных друг другу, если было учтено движение Солнца). Истинный смысл этого объективного факта пришлось искать почти четверть века. Шведский астроном Бертил Линдблад (1926) объяснил это как как эффект вращения Галактики.

Во второй половине XIX в. окончательно утвердилось представление о звездах, как о колоссальных газовых шарах, плотных и горячих в центральных частях и разреженных на периферии.

Проблема

По мере увеличения точности наблюдений выявлялись новые отклонения в движениях планет от кеплеровых. Это и вызывало сомнения в устойчивости Солнечной системы, а порой и в справедливости самого закона всемирного тяготения. Главным объектом стали вековые возмущения в движении Луны.

Гравитационный парадокс. Этот парадокс состоит в несовместимости представления о бесконечности вещественной гравитирующей вселенной и ненаблюдаемости, неощутимости той бесконечно большой суммарной силы тяготения бесконечного числа тел, которая должна была бы действовать на каждое тело в такой вселенной. К этому времени была открыта Леверье лишняя скорость движения перигелия Меркурия, необъяснимая в ньютоновской классической небесной механике. Доверие к закону всемирного тяготения пошатнулось.

Фотометрический парадокс. Он состоит в том, что в бесконечной звездной Вселенной, заполненной хаотически разбросанными звездами, взгляд в любом направлении должен упираться в поверхность какой-либо из них и, таким образом, все небо должно сиять примерно, как поверхность Солнца! А этого нет, в чем и состоит парадокс.

Термодинамический парадокс «тепловой смерти» Вселенной. Суть парадокса состояла в необходимости одностороннего необратимого рассеяния энергии, ведущего к тепловой смерти Вселенной (формулировка Томсона) или, иначе, к безудержному росту энтропии («Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму» -- формулировка Клаузиуса). Неисчерпаемость Вселенной снова напомнила о себе.

Гипотеза

В первой четверти XX в. произошла вторая в истории естествознания великая научная революция -- смена классической космофизической картины мира на новую, квантово-релятивистскую. Этот коренной переворот начался с революции в физике. Перед физиками встала проблема поисков новой фундаментальной, более общей теории, которая на единой основе объясняла бы и механические, и электромагнитные явления. Эту проблему решил в 1905 г. молодой немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879--1955) в своей «специальной теории относительности» (СТО). Эйнштейн отказался от идеи мирового эфира. Обобщив принцип относительности Галилея, он провозгласил равноправие всех инерциальных систем в отношении любых физических процессов. В этой новой физической картине провозглашалась относительность не только всякого механического движения, но и самого пространства и времени, если их рассматривать по отдельности. В своей новой теории Эйнштейн постулировал постоянство скорости света в вакууме, независимо от движения наблюдателя и излучающих тел, и пришел к выводу, что эта скорость является максимальной скоростью физического взаимодействия вообще. Это - первый фундаментальный вывод СТО.

Другим фундаментальным выводом теории стало знаменитое соотношение между полной внутренней энергией и массой тела (Е = тс²). Речь здесь идет о законе преобразования вещества в излучение с энергией Е. В 1916 г. Эйнштейн завершил построение своей новой теории гравитации -- общей теории относительности (ОТО). Специальная теория относительности вошла в нее как частный случай. Ньютонова теория гравитации вошла в ОТО частным случаем -- для слабых полей тяготения.

В новой теории (ОТО) утверждалась глубокая связь между пространством, временем и материей. Наличие материи искривляло пространство, и тело двигалось в этом пространстве так, что казалось притягиваемым к месту концентрации материи. Так впервые тяготение было представлено как эффект чего-то, а не врожденное свойство. Доказательство гипотезы

Первым успехом ОТО стало объяснение загадочной лишней скорости в движении перигелия Меркурия.

Поскольку тяготение распространялось и на свет как поток фотонов, то из ОТО следовало, что луч света, проходя вблизи звезды, искривляющей пространство, должен сам искривляться в направлении этой звезды. Такой эффект действительно был обнаружен впервые во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. А.С. Эддингтоном и Ф.У. Дайсоном. Это было первое прямое подтверждение новой теории тяготения, в дальнейшем укрепленное при аналогичных наблюдениях.

Теория

ОТО стала фундаментом для выявления новых свойств и закономерностей Вселенной в самых крупных масштабах и для создания новой, релятивистской космологии и космологической картины мира. Решение мировых уравнений ОТО позволяет в принципе построить математическую модель Вселенной. Первую такую попытку предпринял сам Эйнштейн в 1917 г. Считая радиус кривизны пространства постоянным, т.е. исходя из представлений о стационарности Вселенной в целом во времени (что казалось наиболее разумным с философской точки зрения), он пришел к заключению, что Вселенная должна быть пространственно конечной, хотя и бесконечной во времени (вечной) и построил новую -- первую не наглядную -- модель Вселенной: в форме четырехмерного цилиндра. В этом решении уже изначально было заложено предопределяющее его утверждение -- постулат, наподобие принципа неподвижности Земли в древнейших космологических картинах мира. Но теперь это был принцип стационарности Вселенной -- мировоззренческое утверждение, квинтэссенция многотысячелетнего философского осмысления самого понятия «Вселенная» как всего сущего, как всей мыслимой совокупности материи. Получалось что ОТО обязательно приводит к конечности Вселенной при любой положительной средней плотности материи в ней.



2.3 3 этап. Нестационарность Вселенной

Проблема

Но приняв этот постулат, Эйнштейн первым столкнулся с проявлением «строптивости» своей новой обобщенной теории гравитации (ОТО). Решение мировых уравнений оказалось неоднозначным и не давало однозначной стационарной модели мира, пока Эйнштейн не ввел в них некую искусственную умозрительно полученную деталь -- дополнительную постоянную -- «космологический член», обозначенный им как . При положительных значениях . Эта постоянная приобретала физический смысл поля сил отталкивания, или, как стали говорить в дальнейшем, «отрицательного давления».

Гипотеза

Молодой петербургский математик и геофизик-теоретик А. Фридман (1888--1925) в 1922 г. заново проанализировал сложную систему из 10 мировых уравнений ОТО и пришел к фундаментальному выводу о том, что эти уравнения ни при каких условиях не дают однозначного решения, то есть ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности в пространстве. Фридман предположил возможность изменения радиуса кривизны мирового пространства во времени. Исходя также из постулата об однородности и изотропности Вселенной, он нашел новые, «нестационарные» частные решения уравнений ОТО -- в виде трех возможных моделей нестационарной Вселенной. Каждая определялась принимаемым интервалом значений и знаком кривизны пространства. Модель «стационарной Вселенной Эйнштейна», как показал Фридман, представляла собой лишь частный случай решения мировых уравнений ОТО. Модель Фридмана описывает однородную изотропную в общем случае нестационарную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной. Эта работа учёного стала первым основным теоретическим развитием ОТО после работ Эйнштейна 1915--1917 гг. Вселенная нестационарна, и ее пространство обладает переменной во времени кривизной, одинаковой во всех малых масштабах. Он вывел три следствия из предложенных решений:

-Вселенная и ее пространство расширяются со временем;

-Вселенная сжимается;

-во Вселенной чередуется через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

2.4 4 этап. Модель расширяющейся Вселенной

Факты

В 1912--1915 гг. при измерении лучевых скоростей спиральных туманностей обратили внимание на их значительные величины по сравнению со скоростями звезд (до 1100 км/с против десятков км/с у звезд) - туманности как бы разбегались от нас. С целью объяснения этого явления в соответствующее кинематическое уравнение, взятое из звездной астрономии и связывающее скорость движения Солнца в пространстве и лучевую скорость каждой туманности, ввели некий К-член, имеющий смысл дополнительной относительной скорости Солнца и данной туманности. Вычисленная по совокупности туманностей его значительная величина (в сотни км/с) и положительный знак и показали, что туманности как бы разбегаются от Солнца. Этот К-член и был поначалу назван «красным смещением», а в целом эту дополнительную скорость Солнца, или, что-то же самое, -- скорость движения относительно Солнца всей совокупности туманностей стали называть «скоростью Вселенной».

Проблема.

Как зависит К-член от расстояния до туманностей пытались определить в 1916--1928 гг. многие наблюдатели и теоретики.

Гипотеза

Э.П. Хаббл в 1920-е гг. занялся анализом лучевых скоростей галактик. Хаббл получал прямые снимки спектров туманностей и определял расстояния до них по смещению линий к красному концу спектра. Это было истолковано как следствие эффекта Допплера - изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. К 1929 г. Хаббл уверенно показал, что лучевые скорости растут прямо пропорционально расстоянию.

Доказательство гипотезы

Далее была проведена огромная работа по проверке закона. К 1931 г. Хаббл и Хьюмасон доказали его для расстояний в 18 раз больших, чем при его открытии. В настоящее время его действие, подтвержденное и в радиодиапазоне, проверено и подтверждено до расстояний свыше 10 млрд. св. лет (по радиоисточникам и квазарам), то есть практически до «границы» (горизонта видимости) нашей Вселенной, оцениваемой в настоящее время в 14,7 млрд. св. лет. Постоянная Хаббла является одной из фундаментальных космологических постоянных. В результате неоднократных уточнений ее значение принимается в настоящее время равным примерно 75 км/(с х Мпк).

Теория

После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение, и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.

Согласно этой модели, считается, что расширению вселенной предшествовал этап, когда материя в определенной ее части находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. Ученые предполагают, что в таком состоянии она оставалась крайне простой структурой. Между частицами и связывающими их силами существовала симметрия. Таким образом, более двадцати миллиардов лет назад все вещество вселенной находилось в точечном объеме с бесконечной плотностью. Как оно там оказалось? Модель не объясняет, но предполагается, что в результате гравитационного коллапса произошло разрушение всех атомных ядер, элементарных частиц и материя сжалась в точку с бесконечной массой и плотностью.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения.

2.5 5 этап. Модель Большого взрыва

Факты

Большое смятение в умах вызвало осознание того, что величина, обратная постоянной Хаббла (1/Н), означает не что иное, как время расширения Вселенной, ее возраст.

1930--40-е гг. был получен первый радиосигнал -- непрерывный, идущий из Космоса свистящий шум, источник которого угадывался или в центральной области Галактики, или в районе созвездия Геркулеса -- был принят в 1931 г. и осознан именно как космический американским радиоинженером Карлом Янским. В 1937 г. Ребер построил первый в мире радиотелескоп. С помощью радиотелескопа в было сделано новое фундаментальное открытие: в 1951 г. обнаружили в наблюдениях первую и главную (как выяснилось) линию радиоспектра -- 21 см (запрещенная линия нейтрального водорода). Это впервые позволило начать детальные исследования спиральной структуры Галактики и ее центральной области.

Было обнаружено радиоизлучение новой, нетепловой природы - радиоизлучение электронов при торможении их в магнитных полях, «синхротронное». В 1960 г. были открыты квазары-самые мощные источники энергии из всех источников во Вселенной. Типичный квазар излучает, как добрая галактика, а то и сотня их!

В 1967 г. Были открыты пульсары - источники с фантастически быстрой и не менее фантастически правильной переменностью. С 1960-х гг. картина Вселенной стала быстро пополняться и другими экзотическими радиообъектами.

Проблема

Каков же возраст Вселенной? Первоначальная оценка коэффициента самим Хабблом в открытом им законе приводила к невероятно малому времени существования Вселенной -- всего около 2 млрд. лет! -- Это было меньше возраста Земли! А тем более звезд -- возраст их оценивался в 10 млрд. лет. Вместе с тем попытки объяснить эффект красного смещения не доплеровским эффектом также не имели успеха. В первом случае величина смещения зависела бы от длины волны, чего нет; во втором величина эффекта для всех известных тогда объектов (вплоть до белых карликов) была бы существенно меньше наблюдаемой.

Гипотеза

В 1946 г. Джордж (Георгий Антонович) Гамов предложил новую гипотезу возникновения и эволюции Вселенной. Вся современная наблюдаемая Вселенная представляет собой результат катастрофически быстрого расширения и разлета материи из некого начальною сверхплотного состояния, недоступного для описания в рамках современной теоретической физики. Этот процесс рождения Вселенной получил наименование Большого Взрыва, но позднее был осознан скорее, как Большой Удар или даже скорее Большой Хлопок (Big Bang). Начавшееся при этом расширение материи -- сначала в форме неразделимой из-за чудовищных скоростей (температуры) элементарных частиц вещества и фотонов, непрерывно переходящих друг в друга, -- по мере остывания и отделения излучения от вещества разделилось на два процесса и наблюдается в наши дни. Что касается вещества, то, сформировавшись в мир звезд и галактик, оно демонстрирует расширение в виде эффекта красного смещения. Но кроме того Гамов и его сотрудники Р. Альфер и Р. Герман еще в 1948 г. предсказали, что в современной Вселенной должно наблюдаться и заполнившее ее первичное излучение. Теперь уже остывшее, оно должно, по расчетам Гамова, проявляться как тепловое изотропное радиоизлучение -- с температурой около 5 К.

Доказательство гипотезы

В 1965 г. американские радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вилсон (не слыхавшие о теории Гамова!) при испытании рупорной антенны для наблюдения американского спутника «Эхо» совершенно случайно обнаружили устойчивый космический радиошум в микроволновом диапазоне (на волне 7,35 см), не зависящий от направления антенны.

Открытие реликтового излучения стало величайшим достижением в астрономии XX в. Это открытие сделало достоверным фактом по меньшей мере то, что наша Вселенная (Метагалактика) действительно эволюционирует. Наконец, открытие реликтового излучения стало мощным стимулом для дальнейшего развития теории Большого Взрыва, или, как ее стали вскоре называть -- теории горячей Вселенной.

Теория

Считается, что после того как 15 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, началось постепенное охлаждение и расширение Вселенной. Причины Большого взрыва и перехода к расширению во всех моделях вселенной считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой физической современной теории. Но если взрыв был, то дальше картина выглядит следующим образом:

1) Через 10^-43 с начала расширения началось рождение частиц и античастиц.

2) Через 10 ^-6 с- возникновение протонов и антипротонов. Количество протонов на одну стомиллионную часть (10 ^-8) превышало количество антипротонов, в результате чего после аннигиляции возникло и сохранилось то вещество, из которого возникли все галактики, звезды и планеты. Если бы число протонов было бы равно числу антипротонов, то вещество полностью перешло бы в излучение и невозможно было бы наблюдение Космоса и Земли.

3) Через 1 с после начала расширения стали рождаться электронно-позитронные пары.

4) Через 1 мин начались ядерный синтез и образование ядер дейтерия и гелия. На долю последних пришлось примерно 30% от массы оставшихся протонов.

Образование более тяжелых элементов в рамках этой теории объяснить не удалось, так как не хватило времени для их синтеза в процессе расширения. Эти элементы образуются в последующей эволюции звезд в результате термоядерных реакций в их недрах, а тяжелые элементы синтезируются при взрыве сверхновых и затем выбрасываются в космическое пространство, где они со временем концентрируются в газово-пылевые облака, из которых образуются звезды второго поколения типа Солнца и планеты вокруг них.

Через 300 тыс. лет после большого взрыва произошло отделение излучения от вещества, вселенная стала прозрачной, в последующие миллиарды лет стали формироваться галактики, первичные звезды в шаровых скоплениях и звезды второго поколения в спиральных рукавах галактик.

2.6 6 этап. Что дальше?

Факты

Естествознание сейчас находится в начале нового, необычайно интересного этапа своего развития. Космологические данные свидетельствуют о существовании новых типов частиц, ещё не открытых в земных условиях и составляющих «темную материю» во Вселенной

Швейцарец Фриц Цвикки пересчитал все галактики в одном скоплении и по их светимости - чем ярче, тем больше звезд, тем тяжелее - оценил общую массу. Затем по красному смещению спектральных линий Цвикки определил разброс скоростей галактик. И тогда он обнаружил, что скорости слишком велики и найденного по светимости количества материи явно недостаточно. Гравитационное поле, порожденное такой небольшой массой, не удержит галактики в скоплении - улетят и не вернутся. Чего на самом деле не происходит.

Молодой датчанин Ян Оорт, в 1932 году изложил свои исследования динамики звезд нашей Галактики. Оорт рассуждал: поскольку эти силы, удерживающие звезды в пределах диска, имеют гравитационный характер, то можно на основании измеренных скоростей звезд оценить требуемое количество вещества. Суммарная величина «видимой» массы оказалась заметно меньше ожидаемой - всего лишь 30-50% от значения, необходимого для того, чтобы звезды не покинули пределы Галактики. В 1960 году Оорт повторил вычисления и получил тот же результат.

Наступили 70-е годы. Вера Рубин просканировала с помощью спектрометра видимые с ребра галактические диски от центра к краю и построила экспериментальные кривые вращения. Это был шок! Кто бы мог подумать, что скорости звезд к краю диска не только не уменьшаются, оставаясь постоянными, но даже заметно возрастают.

Проблема

Как же удерживаются звезды в своих галактиках? Почему суммарная величина «видимой» массы звездного вещества оказалась заметно меньше ожидаемой? Почему скорости звезд к краю диска не только не уменьшаются, оставаясь постоянными, но даже заметно возрастают?

Гипотеза

Цвикки выдвинул смелую гипотезу: в богатых скоплениях присутствует невидимая, скрытая масса, которая и удерживает галактики. Галактики окружены гало (оболочкой, короной) из несветящейся материи. Невидимое вещество гало своим гравитационным полем не дает звездам покинуть галактику и тем самым спасает ее от распада. Без этой невидимой массы галактика непременно распадется. Что это за материя и почему не видна? Это, конечно, вопрос! Очевидно только основное ее свойство: она создает гравитационное поле (имеет массу), но не излучает (или почти не излучает) электромагнитных волн.

Доказательство гипотезы

Гравитационное линзирование. Когда источник излучения один, а его изображение в телескопе получается искаженным - несколько светящихся точек и т.д. Для того чтобы получить такое изображение в центр галактик надо добавить темную материю и в центрах скоплений основную массу составляет именно эта тёмная материя, а вовсе даже не галактики и не обычное видимое вещество.

Реликтовое излучение с разных направлений различно. Это объясняется соотношением между неоднородностями в распределении частиц тёмной материи по Вселенной и неоднородностями в температуре реликтового излучении, которое мы наблюдаем на карте неба сегодня, все сходится один с другим совершенно замечательным образом.

Кривые вращения - одно из самых убедительных свидетельств в пользу существования темной материи во Вселенной.

Факты

И вот в 1998 году астрономы смогли получить кривую блеска для Сверхновой, взорвавшейся в очень далекой галактике. Определенное по максимуму светимости расстояние до этой галактики оказалось заметно больше того, что можно ожидать при свободном разлете вещества после Большого Взрыва согласно модели Фридмана. Звезда в момент максимальной светимости выглядела более тусклой. Это означает лишь одно: Вселенная расширяется с ускорением. Темп расширения Вселенной со временем растет, и сейчас он выше, чем в далеком прошлом.

Проблема

Всякое ускоренное движение происходит под действием некоторой силы. Но какая же сила вызывает ускорение расширения Вселенной? Какая энергия заставляет галактики разбегаться быстрее? Эту силу называют темной энергией, однако никто не может объяснить, что скрывается за этим понятием

Гипотеза

Эту силу называют темной энергией, однако никто не может объяснить, что скрывается за этим понятием. Темная энергия равномерно распределена во Вселенной - ее плотность в скоплениях такая же, как и вне их. Значит, она не связана ни с обычным веществом, ни с темной материей, которая собирается в тех же крупномасштабных структурах, что и вещество обычное - барионное. Темная энергия - эта непонятная субстанция - как бы расталкивает саму себя и заставляет галактики разлетаться с большей скоростью. С открытием ускоренного расширения Вселенной маятник удачи качнулся в сторону астрономов. Эту субстанцию можно изучать только с помощью телескопов, она проявляет себя только на огромных космических расстояниях. Детекторы и ускорители физиков тут бессильны. Однако в среде астрономов не ощущается большой радости по поводу «реванша». Проблема представляется неразрешимой. Под угрозой проверенная временем стандартная модель «Большого Взрыва». Профессор Марио Ливио из Института космических телескопов говорит: «Картина становится невероятно сложной и отвратительной. Я даже не уверен, правильные ли вопросы мы задаем!».

В этой «темной» истории ясно одно: необходимы новые фундаментальные идеи о пространстве, времени и материи.

За последние годы наши представления о Мироздании решительно изменились. Сегодня перед нами предстает следующая картина Вселенной: На долю обычного вещества приходится всего лишь 5% всей массы. Темная материя составляет примерно 20-25%. Основная же доля - 70-75% общей массы - приходится на самую загадочную субстанцию - темную энергию.

Итак, проведя структурный анализ развития космологических теорий, мы подтвердили, что всю логику научного познания как последовательную смену форм научного исследования можно представить так: накопление и осознание фактов; возникновения и постановка проблемы; выдвижение гипотезы или гипотез; построение теории, определение путей практической реализации теории.

2.7 Доказательство истинности космологических научных теорий

А теперь попробуем представить доказательства истинности этих теорий, основываясь на основных закономерностях и принципах развития любых научных теориях.

Любая наука развивается по своим только ей присущим законам, т.е. обладает относительной самостоятельностью и внутренней логикой своего развития. Но вместе с тем любому научному познанию соответствуют определенные закономерности (см. п.1.3.). Проанализируем наличие их на примере научных теорий космологии.

Одним из главных принципов любого познания является принцип последовательности. Этот принцип означает, что каждая высшая ступень в развитии науки возникает на основе предшествующей ступени с удержанием всего ценного, что было накоплено раньше, на предшествующих ступенях (см. рис.1). Так, например, Ньютонова теория гравитации вошла в ОТО частным случаем -- для слабых полей тяготения.

Модель «стационарной Вселенной Эйнштейна», как показал Фридман, представляла собой лишь частный случай решения мировых уравнений ОТО, Вселенная расширяется. На основе выводов Фридмана в 1946 г. Джордж Гамов предложил новую гипотезу возникновения и эволюции Вселенной-модель Большого взрыва.

Следующим принципом, который логично вытекает из предыдущего, является принцип круговой цикличности (см.рис.2). Этот принцип означает, что новые объяснения формулируются на основе раннее сформулированных, в результате образуются замкнутые цикличные объяснения, в которых вещь №2 (2 этап, статическая модель) объясняется на основе вещи №1 (1 этап, классическая модель), в свою очередь вещь №3 (3 этап, нестационарность Вселенной) объясняется на основе вещи №2 и т.д. Круг-цикл замыкается сам в себе.

Преемственность научного познания не есть однообразный, монотонный процесс. Обычно она выступает как единство постепенных, спокойных количественных и коренных качественных (скачки, научные революции). Эти две стороны тесно связаны и в ходе ее развития сменяют друг друга. Это наглядно можно представить в виде точечной диаграммы (см. рис. 3), если на горизонтальной оси отобразить наиболее крупные научные открытия, сделанные в космологии, а на вертикальной - время возникновения открытий. На этой диаграмме хорошо видно, как периоды относительной стабильности в развитии науки сменяются революционными периодами (создание классической физической картины мира Ньютона-первая революционная теория в истории естествознания, а в первой четверти XX в. произошла вторая великая научная революция -- смена классической космофизической картины мира на новую, квантово-релятивистскую). Во время устойчивого развития науки происходит постепенный рост знаний, но основные теоретические представления остаются почти без изменений. В период научной революции подвергаются ломке именно эти представления, происходит скачкообразное углубление и расширение сферы познанного.

Диаграмма наглядно подтверждает обстоятельство, отмеченное Ф. Энгельсом, что наука движется пропорционально массе знаний, унаследованных ею от предыдущего поколения.

Рис. 3



На рассматриваемую закономерность развития науки обратил В. Вернадский, который подчеркивал, что «ходу научной мысли свойственна определенная скорость движения, что она закономерно меняется во времени, причем наблюдается смена периодов ее замирания и периодов ее усиления».

Развитие науки характеризуется диалектическим взаимодействием двух противоположных процессов - дифференциацией (выделением новых научных дисциплин) и интеграцией (синтезом знания, объединением ряда наук - чаще всего в дисциплины, находящиеся на их "стыке"). Сама космология в качестве отдельной науки выделилась из астрономии как закономерное следствие быстрого увеличения и усложнения астрономических знаний. Но на всем протяжении своего развития продолжала быть тесно с ней связанной. Кроме того, космология постоянно использует знания, полученные другими науками -физикой, математикой, химией и др. Происходит постоянное взаимодействие наук - взаимообмен методами и приемами исследования, т.е. применение методов одних наук в других. Мы видим, как по мере усиления нарастания сложности и абстрактности космологического знания происходит их математизация. Например, А. Фридман заново проанализировав сложную систему из 10 мировых уравнений ОТО, нашел новые, математические частные решения уравнений ОТО и пришел к фундаментальному выводу о нестационарности Вселенной.

Для современной космологии характерно нарастание сложности и абстрактности знания, т.е. некоторые теоретические выводы достигли такого уровня, что целый ряд их результатов не могут быть представлены наглядно. Все большее значение приобретают абстрактные, логико-математические и знаковые модели, в которых определенные черты моделируемого объекта выражаются в весьма абстрактных формулах.

В современной философии основным критерием подлинной научности является критерий фальсифицируемости, т.е. эмпирической опровергаемости научного знания (Поппер). Согласно принципу фальсификации, подлинно научной является та теория, которая принципиально опровергаема. Т.е. для любой подлинно научной теории мы всегда можем добавить: "Если будет установлено то-то и то-то, то наша теория неверна". Вернемся к гипотезе «В богатых скоплениях галактик присутствует невидимая, темная масса, которая и удерживает галактики». Мы можем сказать, что если будет найдена другая, видимая материя, удерживающая галактики, то наше положение ошибочно. Из этого следует, что положение «В богатых скоплениях галактик присутствует невидимая, темная масса, которая и удерживает галактики» относится к области науки. Тогда как утверждение "Души людей после смерти попадают в Загробный мир" лежит за её пределами в силу невозможности его эмпирически опровергнуть. Теория космологии полностью удовлетворяет этому принципу. Исследуя динамику развития космологических теорий, мы шаг за шагом убеждались, как вновь возникающие теории модели Вселенной опровергали уже существующие, одна теория сменяла другую. Последняя пятая по счету теория модели Вселенной также не является абсолютной. Уже сейчас выдвигаются альтернативные подходы, например, модель пульсирующей вселенной, в которой периодически появляются этапы «сбегания» и «разбегания» материи и др. В современной космологии происходит борьба идей. В модели большого взрыва всей материи неясны причины взрыва, а выделившаяся при этом энергия не может быть объяснена никакими законами физики. Все, что не запрещено законами природы может быть где-нибудь, когда-нибудь реализовано, если это законы объективного мира. Но следует различать объективные законы природы и теоретическое выражение этих законов в науке. Последние всегда являются приближением к первым, поэтому не всякая теоретическая модель может иметь объективный аналог в природе. Величайшие умы человечества, такие как Аристотель, Ньютон, Эйнштейн находили в своих теориях какую-то незаконченность, незавершенность.



Заключение

наука космология вселенный природа

Делая вывод о выше изложенном хочется привести слова одного из создателей квантовой механики М. Борна: "Я убежден, что такие идеи, как абсолютная определенность, абсолютная точность, конечная и неизменная истина и т.п., являются призраками, которые должны быть изгнаны из науки... ибо вера в то, что существует только одна истина и что кто-то обладает ею, представляется мне корнем всех бедствий человечества".



Литература

1. Астрономия, методология, мировоззрение. М.: Наука, 1979.

2. Вселенная, астрономия, философия. М.: Наука, 1988.

3. Еремеева А.И., Цицин Ф.А. История астрономии (Основные этапы развития астрономической картины мира) М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989.

4. Паннекук А. История астрономии. М., 1966.

5. Кезин А.В. Наука в зеркале философии. М., 1990.

6. Микешина Л.А. Философия познания. Полемические главы. М., 2002.

7. Швырев В.С. Научное познание как деятельность. М., 1984.

Размещено на Allbest.ru

...